JPWO2019171449A1 - Image display device - Google Patents
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Abstract
プロジェクション光学系(11)において、光源部(110)及び表示素子(111)により生成された画像光は投射光学系(112)により拡大されてスクリーン(12)に投射される。これにより、スクリーン(12)上に所定のサイズの画像が形成される。スクリーン(12)を透過した画像光はコリメート光学系(13)で平行光化されてライトガイド(10)に導入される。画像光はライトガイド(10)の基板(100)内部の入射側反射面(101)で反射され、第一面、第二面(100a、100b)の間で反射されてビームスプリッタである複数の射出側反射面(102a〜102e)に達する。画像光の一部は複数の射出側反射面(102a〜102e)で各々反射され、観察者の眼Eに到達する。スクリーン(12)上の画像のサイズは任意に調整可能であるのでコリメータ光学系(13)の光学設計が容易になり、装置コストの低減が図れ、光学性能やレイアウトの自由度の高い設計が実現できる。In the projection optical system (11), the image light generated by the light source unit (110) and the display element (111) is magnified by the projection optical system (112) and projected onto the screen (12). As a result, an image of a predetermined size is formed on the screen (12). The image light transmitted through the screen (12) is collimated by the collimated optical system (13) and introduced into the light guide (10). The image light is reflected by the incident side reflecting surface (101) inside the substrate (100) of the light guide (10), and is reflected between the first surface and the second surface (100a, 100b) to be a beam splitter. It reaches the ejection side reflecting surface (102a to 102e). A part of the image light is reflected by each of the plurality of emission side reflecting surfaces (102a to 102e) and reaches the observer's eye E. Since the size of the image on the screen (12) can be adjusted arbitrarily, the optical design of the collimator optical system (13) can be facilitated, the equipment cost can be reduced, and the design with a high degree of freedom in optical performance and layout is realized. it can.
Description
本発明は、画像情報を虚像として使用者の眼前に表示する画像表示装置に関し、さらに詳しくは、光束(射出瞳)を拡大するライトガイドを用いた画像表示装置に関する。本発明に係る画像表示装置は、ヘルメットマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、眼鏡型ディスプレイ(いわゆるスマートグラス)などの画像表示装置に好適である。 The present invention relates to an image display device that displays image information as a virtual image in front of the user's eyes, and more particularly to an image display device that uses a light guide that enlarges a luminous flux (emission pupil). The image display device according to the present invention is suitable for image display devices such as helmet mount displays, head-up displays, and eyeglass-type displays (so-called smart glasses).
自動車や電車では、液晶ディスプレイ(LCD)などの表示素子に表示された画像をフロントガラスやコンバイナに投影して運転者側に反射させることにより、運転者の眼前に虚像による表示画像を形成するヘッドアップディスプレイが使用されている。また、航空機では、同様の仕組みにより、操縦者が頭部に着用するヘルメットに設けられたコンバイナに画像を投影し、操縦者の眼前に虚像による表示画像を形成するヘルメットマウントディスプレイが使用されている。また最近では、スマートグラス等と呼ばれる眼鏡型、或いは頭部装着型のヘッドマウントディスプレイも普及し始めている。 In automobiles and trains, a head that forms a virtual image display image in front of the driver by projecting an image displayed on a display element such as a liquid crystal display (LCD) onto a windshield or combiner and reflecting it toward the driver. Up display is used. Further, in an aircraft, a helmet mount display is used in which an image is projected onto a combiner provided on a helmet worn by the pilot on the head by a similar mechanism to form a virtual image display image in front of the pilot's eyes. .. Recently, eyeglass-type or head-mounted head-mounted displays called smart glasses have also begun to spread.
こうした画像表示装置には観察者の眼前に虚像を表示する光学系として様々な方式のものが知られているが、その一つとして、ライトガイド(導光板)を用いた方式がある。これは、特許文献1〜3などに記載されているように、画像形成部とコリメート光学系とで形成した画像情報を含む断面積の小さな光束を略矩形平板状であるライトガイドに導入し、該ライトガイドによって光束を拡大して表示するものである。以下の説明では、こうしたライトガイドを利用した画像表示装置を単に画像表示装置という。
Various types of such image display devices are known as optical systems for displaying a virtual image in front of the observer's eyes, and one of them is a method using a light guide (light guide plate). As described in
図2は従来の画像表示装置の一例における光路構成を示す概略図である。この概略図は表示される画像を観察している観察者を真横から見た状態を想定した図であり、説明の便宜上、図中に示すように互いに直交するx、y、z軸を定めている。 FIG. 2 is a schematic view showing an optical path configuration in an example of a conventional image display device. This schematic diagram assumes a state in which an observer observing the displayed image is viewed from the side, and for convenience of explanation, the x, y, and z axes orthogonal to each other are defined as shown in the figure. There is.
画像表示装置2は、光源部21、表示素子22、コリメート光学系23、及びライトガイド20を備える。表示素子22は透過型液晶表示素子であり、光源部21はいわゆる透過型液晶表示素子に対するバックライト光源である。光源部21から出射した光は表示素子22を背面側から照明し、表示素子22の表示面上に形成された画像を情報として含む光が該表示素子22から射出される。コリメート光学系23は、表示素子22の表示面の各点(画素)から射出された画像光をそれぞれ略平行な光束としてライトガイド20に導入する。したがって、コリメート光学系23からライトガイド20に導入される光は、それぞれが表示素子22の表示面上に形成される画像の異なる部位の情報を含み、異なる角度でライトガイド20に入射する平行光束の集合である。
The
ライトガイド20は、y−z平面に平行な第一面200a及び第二面200b、x−y平面に平行な図示しない第三面及び第四面を有する偏平立方体形状である透明な基板200を備える。その基板200の内部に一つの入射側反射面201と複数(この例では5枚)の射出側反射面202a〜202eが形成されている。入射側反射面201は第三面及び第四面に垂直であり、第一面200a及び第二面200bに対して傾斜している。複数の射出側反射面202a〜202eは同様に第三面及び第四面に垂直であり、第一面200a及び第二面200bに対して傾斜しており、且つそれらは互いに平行である。また、入射側反射面201はミラー等による反射面であり、射出側反射面202a〜202eは所定の反射率を有する部分反射面つまりはピームスプリッタである。
The
上述したようにコリメート光学系23からライトガイド20に導入された画像情報を含む光束は、入射側反射面201で反射されたあと第一面200aと第二面200bとで一若しくは複数回反射しながら基板200の内部を透過し、射出側反射面202aに達する。射出側反射面202aは到達した光束の一部を反射させ、残りを透過させる。透過した光は次の射出側反射面202bに到達し、その光束の一部は反射され、残りは透過する。射出側反射面202c〜202eも同様である。したがって、ライトガイド20の基板200の内部を透過してきた光束は複数の射出側反射面202a〜202eでそれぞれ反射され、基板200の第一面200aを透過して外部に射出する。各射出側反射面202a〜202eで反射された光はそれぞれ所定の角度で観察者の眼Eに入射する。
As described above, the luminous flux including the image information introduced from the collimating
このようにしてこの画像表示装置2は、表示素子22の表示面に形成された画像を情報として含む光を平行光化し、その平行光束を拡大して観察者に提供する。また、ライトガイド20の基板200は透明であり、射出側反射面202a〜202eは部分反射面であるため、観察者はライトガイド20を通して前方の景色を視認することもできる。
In this way, the
このようなライトガイドを用いたシースルー型の画像表示装置はコンパクトで軽量であるという特長を有する。しかしながら、この画像表示装置は、ライトガイドを用いない、例えば反射ミラーやレンズ系等を用いてコンバイナに画像を投影するような画像表示装置に比べて光学設計が難しいという問題がある。 A see-through type image display device using such a light guide has a feature of being compact and lightweight. However, this image display device has a problem that optical design is more difficult than an image display device that does not use a light guide, for example, a reflection mirror, a lens system, or the like to project an image onto a combiner.
即ち、こうした画像表示装置では、観察者から見たときの視野角(画角)が装置の仕様として決められるため、まず、その仕様を満たすようにライトガイドの光学的な設計が行われる。それにより、ライトガイドに導入される光束のサイズが決まるから、これに適合するようにコリメート光学系が設計される。図2に示すような1軸方向にのみ光束を拡大させるライトガイドを用いた場合、このライトガイドに導入される光束のサイズは、その光束を拡大させる方向(y軸方向)には小さくなるものの、光束を拡大させない方向(z軸方向)にはライトガイドを用いない光学系と比較して大きくなり、これが光学系の設計を難しくする原因となる。コリメート光学系は、射出される平行光のサイズと表示素子からの入射光の拡がり角度やそのサイズとに応じて設計されるが、装置のコストを抑えるには表示素子として入手容易である決まったサイズのものを使用する必要があり、その選択肢は必ずしも多くない。また、必要な解像度を得るために表示素子の画素数にも制約があるため、表示素子の選択の幅はさらに一層狭くなる。そのため、表示素子の選択の幅はかなり狭く、こうした限られた条件の下でコリメート光学系を設計しようとしても十分な性能が得られにくくなる。 That is, in such an image display device, the viewing angle (angle of view) when viewed from the observer is determined as the specifications of the device, and therefore, first, the optical design of the light guide is performed so as to satisfy the specifications. This determines the size of the luminous flux introduced into the light guide, and the collimating optics are designed to accommodate this. When a light guide that expands the luminous flux only in the uniaxial direction as shown in FIG. 2 is used, the size of the luminous flux introduced into the light guide becomes smaller in the direction of expanding the luminous flux (y-axis direction). In the direction in which the luminous flux is not expanded (z-axis direction), the luminous flux becomes larger than that in the optical system that does not use the light guide, which causes difficulty in designing the optical system. The collimated optical system is designed according to the size of the emitted parallel light and the spreading angle of the incident light from the display element and its size, but it has been decided that it is easily available as a display element in order to reduce the cost of the device. You need to use a size one, and there are not always many options. Further, since the number of pixels of the display element is also limited in order to obtain the required resolution, the range of selection of the display element is further narrowed. Therefore, the range of selection of display elements is quite narrow, and even if an attempt is made to design a collimating optical system under such limited conditions, it becomes difficult to obtain sufficient performance.
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、ライトガイドを用いたシースルー型の画像表示装置において、光学系の設計の難易度を下げることによって高い性能を維持しつつ装置コストを抑えることができる画像表示装置を得ることを主たる目的としている。 The present invention has been made to solve the above problems, and in a see-through type image display device using a light guide, the device cost is reduced while maintaining high performance by reducing the difficulty of designing an optical system. The main purpose is to obtain an image display device that can be suppressed.
上記課題を解決するために成された本発明に係る画像表示装置は、
a)画像表示部及び投射光学系を有し、該画像表示部による画像を含む光を発するプロジェクション光学系と、
b)前記プロジェクション光学系からの光の照射により画像が形成されるスクリーンと、
c)前記スクリーンからの透過光を平行光束に変換するコリメート光学系と、
d)前記コリメート光学系による平行光束を透明である基板の内部で全反射し、該基板の内部又は表面に設けた単数又は複数の部分反射面で一部の光を反射させることで平行光束を拡大させ外部に射出するライトガイドと、
を備えることを特徴としている。The image display device according to the present invention made to solve the above problems is
a) A projection optical system that has an image display unit and a projection optical system and emits light containing an image by the image display unit.
b) A screen on which an image is formed by irradiation of light from the projection optical system, and
c) A collimating optical system that converts the transmitted light from the screen into a parallel luminous flux,
d) The parallel light flux by the collimating optical system is totally reflected inside the transparent substrate, and a part of the light is reflected by one or more partial reflection surfaces provided inside or on the surface of the substrate to obtain the parallel light flux. A light guide that expands and emits to the outside,
It is characterized by having.
本発明に係る画像表示装置では、画像形成部として小型のプロジェクション光学系とスクリーンとを用いる。スクリーンに画像を投射するプロジェクション光学系には様々な構成、或いは様々な方式のものがあるが、いずれにしても例えば投射光学系とスクリーンとの間の距離などを調整することで、任意のサイズ(画角)の画像をスクリーンに投影することができる。このスクリーンから表示画像を含む光が発しているとみなすことができるから、コリメート光学系の設計上の要求に合わせてスクリーン上の画像のサイズなどを調整すればよい。 In the image display device according to the present invention, a small projection optical system and a screen are used as an image forming unit. The projection optical system that projects an image on the screen has various configurations or various methods, but in any case, for example, by adjusting the distance between the projection optical system and the screen, any size can be used. The image of (angle of view) can be projected on the screen. Since it can be considered that the light including the display image is emitted from this screen, the size of the image on the screen may be adjusted according to the design requirements of the collimating optical system.
本発明に係る画像表示装置によれば、コリメート光学系に導入される光を発する実質的な画像表示面のサイズの自由度が増すので、ライトガイドに適したコリメート光学系の設計が容易になる。それによって、装置のコストを抑えることができるとともに、光学性能やレイアウトの自由度の高い設計を実現し、例えば歪み等のない良好な画像を表示するこことが可能な画像表示装置をヘルメット上に配置することができる。 According to the image display device according to the present invention, the degree of freedom in the size of the substantially image display surface that emits light introduced into the collimating optical system is increased, so that the design of the collimating optical system suitable for the light guide becomes easy. .. As a result, the cost of the device can be suppressed, and a design with a high degree of freedom in optical performance and layout can be realized. For example, an image display device capable of displaying a good image without distortion is mounted on the helmet. Can be placed.
本発明の一実施例である画像表示装置について、添付図面を参照して説明する。
図1は本実施例の画像表示装置における光学系の概略構成図である。図1はすでに説明した図2と同様に、画像の観察者を真横から見た状態を想定した図である。
本実施例の画像表示装置1は、プロジェクション光学系11、スクリーン12、コリメート光学系13、及びライトガイド10を備える。An image display device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical system in the image display device of this embodiment. FIG. 1 is a diagram assuming a state in which an observer of an image is viewed from the side, similar to FIG. 2 already described.
The
ライトガイド10は図2におけるライトガイド20と基本的に同じもの(ただし、サイズ等のパラメータは同一である必要はない)であり、y−z平面に平行な第一面100a及び第二面100b、x−y平面に平行な図示しない第三面及び第四面を有する偏平立方体形状である透明な基板100を備える。基板100は例えばポリカーボネート樹脂や石英ガラスなどから成る。基板100の内部に一つの入射側反射面101と複数の射出側反射面102a〜102eが形成されている。入射側反射面101は第三面及び第四面に垂直であり、第一面100a及び第二面100bに対して傾斜している。複数の射出側反射面102a〜102eは同様に第三面及び第四面に垂直であり、第一面100a及び第二面100bに対して傾斜しており、且つそれらは互いに平行である。入射側反射面101はミラー等による反射面であり、射出側反射面102a〜102eは所定の反射率を有する部分反射面である。
The
プロジェクション光学系11は小型のリア液晶プロジェクタであり、LED、レーザなどによる光源部110、液晶表示素子、蛍光表示管、或いはMEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)ミラー素子などである表示素子111、及び投射光学系112を含む。表示素子111として液晶表示素子が用いられる場合、図示しない外部の電気回路から供給される信号によって表示素子111の表示画面上に形成される画像を含む光(以下、画像光という)は投射光学系112により適宜の倍率に拡大されてプロジェクション光学系11から射出される。
The projection
スクリーン12はリア透過型のスクリーンであり、プロジェクション光学系11から射出された画像光がスクリーン12に投影される。そして、スクリーン12を透過した画像光はそのままコリメート光学系13に導入される。この拡散光である画像光はコリメート光学系13により平行光に変換されライトガイド10に導入される。スクリーン12上での画像のサイズは表示素子111の表示画面のサイズに依存せず、プロジェクション光学系11の光路構成のほか、プロジェクション光学系11とスクリーン12との距離などによって調整可能である。したがって、スクリーン12上での画像のサイズはコリメート光学系13の特性に応じて適宜に定めればよい。
The
コリメート光学系13により平行光化されてライトガイド10に導入された画像光は、入射側反射面101で反射されたあと第一面100aと第二面100bとで一若しくは複数回反射しながら基板100の内部を透過し、射出側反射面102aに達する。射出側反射面102aは到達した光束の一部を反射させ、残りを透過させる。透過した光は次の射出側反射面102bに到達し、その光束の一部は反射され、残りは透過する。射出側反射面102c〜102eも同様である。したがって、ライトガイド10の基板100の内部を透過してきた光束は複数の射出側反射面102a〜102eでそれぞれ反射され、基板100の第一面100aを透過して外部に射出する。そして、各射出側反射面102a〜102eで反射された光はそれぞれ所定の角度で観察者の眼Eに入射する。この拡大された画像情報を含む平行光によって、観察者の眼前には,射出瞳が広い状態で画像が虚像として表示される。
The image light parallelized by the collimated
なお、ライトガイド10は上記構成に限るものではなく、上記特許文献1〜3を始めとする従来のライドガイドを用いた画像表示装置で使用されている、ホログラム面を使用したライトガイドや1軸方向だけでなく2軸方向に光束を拡大するライトガイド等の各種ライトガイドを代わりに用いることができる。
また、プロジェクション光学系11についても、例えば非特許文献1に記載のような、従来から知られている様々な構成、或いは方式のプロジェクタを代わりに用いることができる。The
Further, as for the projection
一般的には、コンパクト性が重視されるヘッドアップディスプレイでは、上記実施例のような単板式の透過型液晶プロジェクションの構成又は表示素子を一つのみ使用した反射型液晶プロジェクションの構成が適当である。また、より高い輝度が必要であるヘッドアップディスプレイでは、3板式の透過型液晶プロジェクションの構成又は表示素子を三つ使用した反射型液晶プロジェクションの構成が適当である。もちろん、画像はモノクロでもカラーでもよい。 In general, for a head-up display in which compactness is important, a single-panel transmissive liquid crystal projection configuration as in the above embodiment or a reflective liquid crystal projection configuration using only one display element is suitable. .. Further, in a head-up display that requires higher brightness, a three-panel transmissive liquid crystal projection configuration or a reflective liquid crystal projection configuration using three display elements is suitable. Of course, the image may be monochrome or color.
さらにまた、上記実施例は本発明の一例にすぎず、上記記載の変形例にとどまらず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。 Furthermore, the above-described embodiment is merely an example of the present invention, and is not limited to the above-described modification, and is included in the claims of the present application even if appropriate changes, modifications, and additions are made within the scope of the present invention. It is natural that.
1…画像表示装置
10…ライトガイド
100…基板
100a…第一面
100b…第二面
101…入射側反射面
102a、102b、102c、102d、102e…射出側反射面
11…プロジェクション光学系
110…光源部
111…表示素子
112…投射光学系
12…スクリーン
13…コリメート光学系
E…観察者の眼1 ...
Claims (1)
b)前記プロジェクション光学系からの光の照射により画像が形成されるスクリーンと、
c)前記スクリーンからの透過光を平行光束に変換するコリメート光学系と、
d)前記コリメート光学系による平行光束を透明である基板の内部で全反射し、該基板の内部又は表面に設けた単数又は複数の部分反射面で一部の光を反射させることで平行光束を拡大させ外部に射出するライトガイドと、
を備えることを特徴とする画像表示装置。a) A projection optical system that has an image display unit and a projection optical system and emits light containing an image by the image display unit.
b) A screen on which an image is formed by irradiation of light from the projection optical system, and
c) A collimating optical system that converts the transmitted light from the screen into a parallel luminous flux,
d) The parallel light flux by the collimating optical system is totally reflected inside the transparent substrate, and a part of the light is reflected by one or more partial reflection surfaces provided inside or on the surface of the substrate to obtain the parallel light flux. A light guide that expands and emits to the outside,
An image display device comprising.
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