WO2014156599A1 - 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ Download PDF

Info

Publication number
WO2014156599A1
WO2014156599A1 PCT/JP2014/056241 JP2014056241W WO2014156599A1 WO 2014156599 A1 WO2014156599 A1 WO 2014156599A1 JP 2014056241 W JP2014056241 W JP 2014056241W WO 2014156599 A1 WO2014156599 A1 WO 2014156599A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
hoe
image
display device
display element
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/056241
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
稲垣　義弘
Original Assignee
コニカミノルタ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by コニカミノルタ株式会社 filed Critical コニカミノルタ株式会社
Priority to JP2015508252A priority Critical patent/JP6229711B2/ja
Priority to US14/779,404 priority patent/US20160041393A1/en
Publication of WO2014156599A1 publication Critical patent/WO2014156599A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4205—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant
    • G02B27/4211—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant correcting chromatic aberrations
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/32—Holograms used as optical elements
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/2066—Reflectors in illumination beam
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/2073—Polarisers in the lamp house
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/28—Reflectors in projection beam
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/02—Details of features involved during the holographic process; Replication of holograms without interference recording
    • G03H1/024—Hologram nature or properties
    • G03H1/0248—Volume holograms
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2294—Addressing the hologram to an active spatial light modulator
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B27/0103—Head-up displays characterised by optical features comprising holographic elements
    • G02B2027/0105—Holograms with particular structures
    • G02B2027/0107—Holograms with particular structures with optical power
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0112—Head-up displays characterised by optical features comprising device for genereting colour display
    • G02B2027/0116—Head-up displays characterised by optical features comprising device for genereting colour display comprising devices for correcting chromatic aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/013—Head-up displays characterised by optical features comprising a combiner of particular shape, e.g. curvature
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type

Definitions

  • the present invention relates to an image display device that allows an observer to observe an image displayed on a display element as a virtual image, and a head mounted display (hereinafter abbreviated as HMD) including the image display device.
  • HMD head mounted display
  • an image display device using a volume phase hologram HOE; Holographic Optical Element
  • HOE volume phase hologram
  • Various proposals have been made.
  • a planar HOE is attached to an eyepiece prism, and image light emitted from the display element and guided inside the eyepiece prism is diffracted and reflected by the HOE and guided to the observer's pupil. Yes.
  • HOE has wavelength dependency, and the direction of diffraction is changed according to the wavelength.
  • the direction in which the image light is reflected by the HOE attachment surface of the eyepiece prism and the direction in which the image light is diffracted by the HOE are substantially at the center of the screen (center of view angle during image observation).
  • the wavelength of the image light is dispersed in a radial direction from the center of the screen.
  • RGB light red (R), green (B), and blue (B)
  • RGB light red (red (R), green (B), and blue (B)
  • the HOE pasting surface is formed as a cylindrical surface.
  • the radius of curvature of the cylindrical surface is reduced as the distance from the image center increases.
  • JP 2007-11279 A (refer to FIG. 1, FIG. 3, FIG. 4, etc.) JP 2012-13908 A
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to limit the direction in which an image is stretched by the wavelength dependency of the HOE, thereby reducing the image quality caused by the wavelength dependency of the HOE.
  • An object of the present invention is to provide an image display device capable of suppressing deterioration and aberration, and an HMD provided with the image display device.
  • An image display apparatus includes a display element that displays light by modulating light from an illumination optical system, and an eyepiece optical system that guides image light from the display element to an observer's pupil.
  • the eyepiece optical system includes an eyepiece prism that guides the image light inside, and the image light that is provided in contact with the eyepiece prism and guided inside the eyepiece prism.
  • a volume phase hologram that diffracts and reflects, and a surface of the eyepiece prism that is in contact with the volume phase hologram has a curvature of 0 in one direction and a non-zero curvature in a direction perpendicular to the one direction.
  • the diffraction power of the volume phase hologram is not 0 in the one direction but 0 in the perpendicular direction.
  • the surface through which the image light is transmitted other than the surface in contact with the volume phase hologram is a flat surface.
  • the display surface of the display element is a rectangle, and the short direction of the display surface coincides with the one direction where the curvature of the surface in contact with the volume phase hologram is zero.
  • the HMD according to another aspect of the present invention includes the above-described video display device and a support member that supports the video display device in front of the observer's eyes.
  • the direction in which the point (image) extends due to the wavelength dependence of the HOE at a position other than the center of the screen is one direction.
  • the diffraction power of the HOE is 0 in the perpendicular direction, the occurrence of aberration can be suppressed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a video display device 1 of the present embodiment.
  • the video display device 1 includes an illumination optical system 2, a polarizing plate 3, a polarization beam splitter (PBS) 4, a display element 5, and an eyepiece optical system 6.
  • PBS polarization beam splitter
  • the direction is defined as follows.
  • An axis that optically connects the center of the optical pupil P formed by the eyepiece optical system 6 and the center of the display surface of the display element 5 and an extension of the axis are defined as the optical axis.
  • a direction perpendicular to the optical axis incident surface of the HOE 23 of the eyepiece optical system 6 is defined as an X direction.
  • the optical axis incident surface of the HOE 23 refers to a plane including the optical axis of incident light and the optical axis of reflected light in the HOE 23.
  • a direction perpendicular to the X direction in a plane perpendicular to the surface normal at the intersection with the optical axis of each optical member is defined as a Y direction.
  • the illumination optical system 2 illuminates the display element 5 and has a light source 11, an illumination mirror 12, and a diffusion plate 13.
  • the light source 11 is composed of RGB integrated LEDs that emit light corresponding to each color of R (red), G (green), and B (blue).
  • a plurality of light emission points (each light emission point of RGB) are arranged in a substantially straight line in the horizontal direction (X direction).
  • the wavelength of light emitted from the light source 11 is, for example, a peak wavelength of light intensity and a wavelength width of half value of light intensity, 462 ⁇ 12 nm (B light), 525 ⁇ 17 nm (G light), 635 ⁇ 11 nm (R light). It is.
  • the light source 11 includes two pairs of RGB integrated LEDs.
  • the light emitting points are arranged in a substantially straight line so that the light emitting points are symmetrically located with respect to the optical axis incident surface of the HOE 23 (for example, the light emitting points are arranged in the X direction in the order of BGRRGB). )
  • the distribution of RGB light intensity can be made symmetric in the X direction.
  • the illumination mirror 12 reflects light (illumination light) emitted from the light source 11 toward the diffuser plate 13 and bends the illumination light so that the optical pupil P and the light source 11 are substantially conjugate with respect to the Y direction. It is an optical element.
  • the diffusing plate 13 is a unidirectional diffusing plate that diffuses incident light, for example, 40 ° in the X direction in which a plurality of light emitting points of the light source 11 are arranged and does not diffuse incident light in the Y direction.
  • the diffusion plate 13 is held on the surface of the polarizing plate 3.
  • the polarizing plate 3 transmits light having a predetermined polarization direction out of light incident through the diffusion plate 13 and guides it to the PBS 4.
  • the PBS 4 reflects the light transmitted through the polarizing plate 3 in the direction of the reflective display element 5, while out of the light reflected by the display element 5, the light corresponding to the image signal ON (transmitted through the polarizing plate 3).
  • the light is a flat plate-shaped polarization separating element that transmits light whose polarization direction is orthogonal, and is attached to a light incident surface 21a of an eyepiece prism 21 (to be described later) of the eyepiece optical system 6.
  • the optical members By affixing the PBS 4 to the light incident surface 21a, the optical members can be arranged in a balanced manner on the light incident side and the light emitting side of the PBS 4. Thereby, the holding posture of each optical member is stabilized.
  • the interface of the eyepiece prism 21 with the air is reduced by attaching the PBS 4 to the eyepiece prism 21, the surface reflection at the interface is reduced and the light utilization efficiency is improved. Generation of ghosts due to surface reflection can be reduced.
  • the display element 5 is a display element that modulates the light from the illumination optical system 2 and displays an image.
  • the display element 5 is composed of a reflective liquid crystal display element.
  • the display element 5 may have a configuration including a color filter, or may be configured to be driven in a time division manner for each RGB.
  • the display element 5 is arranged so that light incident from the PBS 4 substantially vertically is reflected almost vertically and directed toward the PBS 4. This facilitates optical design that increases the resolution as compared with a configuration in which light is incident on the reflective display element at a large incident angle.
  • the display surface of the display element 5 is rectangular, and is arranged so that the longitudinal direction of the display surface is the X direction and the short direction is the Y direction.
  • the display element 5 is arranged on the same side as the light source 11 with respect to the optical path from the illumination mirror 12 toward the PBS 4. Thereby, the whole optical system from the illumination optical system 2 to the display element 5 can be comprised compactly.
  • the display element 5 may be supported by the same substrate as the light source 11 or may be supported by different substrates (the support substrate for the light source 11 and the display element 5 is omitted in FIG. 1). .
  • the eyepiece optical system 6 is an optical system for guiding the image light from the display element 5 to the observer's pupil (optical pupil P), and has non-axisymmetric (non-rotationally symmetric) positive optical power.
  • the eyepiece optical system 6 includes an eyepiece prism 21, a deflection prism 22, and a HOE 23.
  • the eyepiece prism 21 guides the image light incident from the display element 5 through the PBS 4 while transmitting the light of the external image (external light), and the upper end of the parallel plate is directed toward the upper end. It is configured to be thicker and thinner at the lower end toward the lower end.
  • the surface to which the PBS 4 is attached in the eyepiece prism 21 is a light incident surface 21a on which the image light from the display element 5 is incident.
  • the two surfaces 21b and 21c that are positioned substantially parallel to the optical pupil P and face each other are as follows.
  • the total reflection surface guides image light by total reflection.
  • the surface 21b on the optical pupil P side also serves as an image light exit surface that is diffracted and reflected by the HOE 23.
  • the eyepiece prism 21 is joined to the deflection prism 22 with an adhesive so as to sandwich the HOE 23 arranged at the lower end thereof.
  • the surfaces (light incident surface 21 a and surface 21 b) that transmit image light other than the surface 21 d in contact with the HOE 23 are flat.
  • the shape of the surface 21d with which the HOE 23 contacts will be described later.
  • the deflection prism 22 is bonded to the eyepiece prism 21 via the HOE 23 to form a substantially parallel plate.
  • refraction when the external light passes through the wedge-shaped lower end of the eyepiece prism 21 can be canceled by the deflection prism 22, and the observed external field image is distorted. Can be prevented.
  • the HOE 23 is a volume phase reflection type hologram optical element that is provided in contact with the eyepiece prism 21 and diffracts and reflects the image light guided inside the eyepiece prism 21.
  • the HOE 23 diffracts light in three wavelength ranges of, for example, 465 ⁇ 5 nm (B light), 521 ⁇ 5 nm (G light), and 634 ⁇ 5 nm (R light) with a peak wavelength of diffraction efficiency and a half width of the diffraction efficiency. (Reflect). That is, the RGB diffraction wavelength of the HOE 23 substantially corresponds to the wavelength of RGB image light (the emission wavelength of the light source 11).
  • the light emitted from the light source 11 of the illumination optical system 2 is reflected by the illumination mirror 12 and diffused only in the X direction by the diffusion plate 13, and then only the light having a predetermined polarization direction is a polarizing plate. 3 is transmitted. The light transmitted through the polarizing plate 3 is reflected by the PBS 4 and enters the display element 5.
  • incident light is modulated in accordance with an image signal.
  • the image light corresponding to the image signal ON is converted by the display element 5 into light having a polarization direction orthogonal to the incident light and emitted, the light is incident on the eyepiece prism 21 through the PBS 4. Incident from the surface 21a.
  • the image light corresponding to the image signal being turned off is emitted by the display element 5 without changing the polarization direction, and thus is blocked by the PBS 4 and does not enter the eyepiece prism 21.
  • the incident image light is totally reflected once by the two opposing surfaces 21 c and 21 b of the eyepiece prism 21, then enters the HOE 23, where it is diffracted and reflected and emitted from the surface 21 b, and optically. Reach pupil P. Therefore, at the position of the optical pupil P, the observer can observe the image displayed on the display element 5 as a virtual image.
  • the eyepiece prism 21, the deflecting prism 22, and the HOE 23 transmit almost all the external light, so that the observer can observe the external image in a see-through manner. Therefore, the virtual image of the image displayed on the display element 5 is observed while overlapping a part of the external image.
  • the surface 21d with which the HOE 23 is in contact with the eyepiece prism 21 has a curvature of 0 in the Y direction, which is one direction, and a non-zero curvature in the X direction, which is a direction perpendicular to the one direction.
  • the diffraction power (optical power) of the HOE 23 is not 0 in the Y direction (for example, positive diffraction power) but 0 in the X direction.
  • the direction in which an image is stretched is limited to only the Y direction from the conventional radial direction due to the wavelength dependence of the HOE 23. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the image quality as compared with the conventional case where the image expands radially. Moreover, since the diffraction power of the HOE 23 is 0 in the X direction, it is possible to suppress the occurrence of aberration due to the diffraction power of the HOE 23.
  • the HOE 23 is manufactured by attaching a film-like hologram photosensitive material to the surface 21d, exposing it with two light beams, and causing these light beams to interfere with each other.
  • the surface 21d has a curvature only in one direction (X direction)
  • the direction in which the image light is reflected by the surface 21d of the eyepiece prism 21 that contacts the HOE 23 and the direction in which the image light is diffracted by the HOE 23 correspond to the screen center (the center of the display image) in the HOE 23.
  • the direction in which the image light is reflected by the surface 21d and the HOE 23 even at a position shifted in the X direction from the screen center.
  • the direction in which the image light is diffracted substantially coincides.
  • the displayed point (image) does not extend in any direction at the center of the screen and the position shifted in the X direction.
  • a point extends in the Y direction at a position shifted in the Y direction from a position shifted in the X direction from the center of the screen, but the amount of the point extension depends on the amount of positional deviation in the Y direction from the center of the screen. Become bigger.
  • the display element 5 is arranged so that the short direction of the rectangular display surface is the Y direction, and the curvature of the surface 21d is short and the short direction of the display surface (the direction with a narrow angle of view). Since the direction of 0 coincides in the Y direction, image degradation due to the wavelength dependence of the HOE 23 can be minimized.
  • the eyepiece prism 21 it is also possible to bend the light by giving optical power to the image light transmission surface (for example, the light incident surface 21a and the surface 21b).
  • the image light transmission surface for example, the light incident surface 21a and the surface 21b.
  • chromatic aberration of magnification occurs due to refraction at the transmission surface, and the same phenomenon as the point elongation caused by the above-mentioned HOE 23 occurs.
  • the wavelength dependence of refraction is usually smaller than diffraction, only the diffraction power ( It is sufficient to consider the wavelength dependence due to diffraction.
  • the surfaces (light incident surface 21 a and surface 21 b) that transmit video light other than the surface 21 d in contact with the HOE 23 are flat surfaces, and thus the wavelength dependency of refraction described above. The effects of can be almost ignored.
  • the surface 21d has a curvature that is concave toward the optical pupil P side in the X direction, but if the optical power is given to the image light transmission surface in the eyepiece prism 21, the surface 21d is , The curvature may be convex toward the optical pupil P side in the X direction.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a schematic configuration of the HMD 30 including the video display device 1 of the present embodiment.
  • the HMD 30 includes the video display device 1 and the support member 31 described above.
  • the illumination optical system 2 and the display element 5 of the video display device 1 are housed in the housing 32, and the upper end portion of the eyepiece optical system 6 is also located in the housing 32.
  • the eyepiece optical system 6 is configured by bonding the eyepiece prism 21 and the deflection prism 22 as described above, and has a shape like one lens of a pair of glasses (lens for right eye in FIG. 2) as a whole. .
  • the light source 11 and the display element 5 in the housing 32 are connected to a circuit board (not shown) via a cable 33 provided through the housing 32, and the light source 11 and the display element 5 are connected from the circuit board. Drive power and video signals are supplied.
  • the video display device 1 further includes an imaging device that captures still images and moving images, a microphone, a speaker, an earphone, and the like, and information on the captured image and the display image via an external server or terminal and a communication line such as the Internet. Or a configuration for exchanging (transmitting / receiving) audio information.
  • the support member 31 is a support mechanism corresponding to a frame of glasses, and supports the image display device 1 in front of the observer's eyes (in front of the right eye in FIG. 2).
  • the support member 31 includes a temple 34 (right temple 34R, left temple 34L) that contacts the left and right temporal regions of the observer, and a nose pad 35 (right nose pad 35R / left nose pad 35L) that contacts the observer's nose. ).
  • the support member 31 also supports the lens 36 in front of the left eye of the observer, but this lens 36 is a dummy lens.
  • the HMD 30 When the HMD 30 is mounted on the observer's head and an image is displayed on the display element 5, the image light is guided to the optical pupil via the eyepiece optical system 6. Therefore, by aligning the observer's pupil with the position of the optical pupil, the observer can observe an enlarged virtual image of the display image of the image display device 1. At the same time, the observer can observe the external image through the eyepiece optical system 6 in a see-through manner.
  • the video display device 1 is supported by the support member 31, so that the observer can observe the video provided from the video display device 1 in a hands-free and stable manner for a long time. In addition, you may enable it to observe an image
  • the image light exit surface of the prism 21 is the first surface). Therefore, S2 is the surface 21d (HOE pasting surface) of the eyepiece prism 21, S3 is the surface 21b (total reflection surface (same plane as S1)), S4 is the surface 21c (total reflection surface), and S5 is the surface 21a (PBS pasting).
  • S6 is a transmission surface of PBS4, S7 is a cover glass surface of display element 5, S8 is a liquid crystal surface of display element 5, S9 is a cover glass surface of display element 5, S10 is a reflection surface of PBS4, and S11 is polarized light.
  • the exit surface of the plate 3 S 12 is the boundary surface between the polarizing plate 3 and the diffusion plate 13, S 13 is the entrance surface of the diffusion plate 13, S 14 is the reflection surface of the illumination mirror 12, and S 15 is the LED light emitting surface of the light source 11.
  • each surface Si is specified by each surface data of surface vertex coordinates (x, y, z) and rotation angle (ADE).
  • the surface vertex coordinates of the surface Si are the local orthogonal coordinate system (X, Y, z) in the global orthogonal coordinate system (x, y, z) with the surface vertex as the origin of the local orthogonal coordinate system (X, Y, Z).
  • , Z) is represented by the coordinates (x, y, z) of the origin (unit: mm).
  • the inclination of the surface Si is represented by a rotation angle (x rotation) about the x-axis with the surface apex as the center.
  • the unit of the rotation angle is degrees, and the counterclockwise direction when viewed from the positive direction of the x axis (as viewed from the front of the drawing in FIG. 1) is the positive direction of the rotation angle of the x rotation.
  • the global orthogonal coordinate system (x, y, z) is an absolute coordinate system that matches the local orthogonal coordinate system (X, Y, Z) of the exit surface (S1).
  • the direction from the exit surface (S1) toward the HOE 23 is the + Z direction
  • the upward direction with respect to the exit surface (S1) is the + Y direction
  • the direction is perpendicular to the YZ plane.
  • the direction from the back to the front of FIG. 1 (the direction from the left to the right when the HMD is attached) is the + X direction.
  • the manufacturing wavelength (HWL; normalized wavelength) and the reproduction wavelength when producing the HOE used in this example are both 532 nm, and the use order of the diffracted light is the first order.
  • HOE since complex wavefront reproduction is performed by HOE, HOE is defined by phase function ⁇ .
  • the phase function ⁇ is a generator polynomial (binary polynomial) based on the position (X, Y) of the HOE, as shown in Equation 1 below.
  • a (i, j) represents a coefficient (HOE coefficient) of X i Y j .
  • the surface shape of the polynomial free-form surface is expressed by the following equation (2).
  • Z represents a sag amount (mm) in the Z-axis direction (optical axis direction) at the position of the coordinates (X, Y)
  • a (i, j) is a coefficient of X i Y j (free-form surface coefficient). Indicates.
  • Equation 2 there is no portion showing the spherical term.
  • Table 1 shows the coordinates of each surface of the video display device 1 of the present embodiment
  • Tables 2 to 4 show the coefficient (HOE coefficient) A (i) of the HOE phase function ⁇ in the video display device 1 of the present embodiment.
  • J the shape formula coefficient of the HOE surface (HOE pasting surface) and the shape formula coefficient of the illumination mirror are shown in correspondence with the order of X and the order of Y.
  • the shape equation coefficients of the HOE surface and the illumination mirror are shown by the free-form surface coefficients of the equation (2).
  • the first row indicates the order of X
  • the first column indicates the order of Y.
  • the HOE coefficient is 0 in all terms of the Y0th order, and since there is no portion showing the spherical term in the equation 2, the diffraction power in the X direction of the HOE Is set to 0. Further, as shown in Table 3, when the shape equation coefficient of the HOE surface is not 0 in terms of the Y0th order X even order (range is 2 to 10) and is 0 in terms other than the Y0th order, It can be seen that the surface has a curvature in the X direction and no curvature in the Y direction.
  • the direction in which the points extend due to the wavelength dependence (diffraction power) of the HOE is only the vertical direction, and therefore, deterioration in image quality can be suppressed as compared with the conventional case in which the image extends radially. .
  • the video display device shown in the present embodiment may have the following configuration.
  • (1) The surface in contact with the HOE in the eyepiece prism has a curvature that is concave on the optical pupil side in the X direction.
  • (2) The diffraction power in the Y direction of the HOE is positive.
  • (3) The direction in which the image light is reflected on the surface of the eyepiece prism that contacts the HOE and the direction in which the image light is diffracted by the HOE substantially coincide with each other at a position corresponding to the screen center in the HOE.
  • the video display device Of the light from the illumination optical system, a polarizing plate that transmits light in a predetermined polarization direction; While the light transmitted through the polarizing plate is reflected in the direction of a reflective liquid crystal display element as a display element, the light that is reflected by the reflective liquid crystal display element and whose polarization direction is orthogonal (image signal) Polarization separation element that transmits light corresponding to ON), The polarization separation element is attached to the incident surface of the image light in the eyepiece prism.
  • the HMD shown in the present embodiment may have a configuration in which the video display device is supported by a support member.
  • the video display device of the present invention can be used for HMD.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

　映像表示装置（１）は、照明光学系（２）からの光を変調して映像を表示する表示素子（５）と、表示素子（５）からの映像光を観察者の瞳に導くための接眼光学系（６）とを有している。接眼光学系（６）は、映像光を内部で導光する接眼プリズム（２１）と、ＨＯＥ（２３）とを有している。ＨＯＥ（２３）は、接眼プリズム（２１）に接して設けられ、接眼プリズム（２１）内部で導光された映像光を回折反射する体積位相型ホログラムである。接眼プリズム（２１）においてＨＯＥ（２３）が接する面（２１ｄ）は、一方向において曲率が０であり、一方向と垂直な方向において０でない曲率を有している。ＨＯＥ（２３）の回折パワーは、上記一方向において０ではなく、上記垂直な方向において０である。

Description

映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
　本発明は、表示素子にて表示された映像を虚像として観察者に観察させる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと略称する）とに関するものである。
　従来から、体積位相型ホログラム（ＨＯＥ；Holographic　Optical　Element）を用い、表示素子からの映像光をＨＯＥで回折反射させて観察者の瞳に導き、観察者に映像（虚像）を観察させる映像表示装置が種々提案されている。例えば、特許文献１では、平面状のＨＯＥを接眼プリズムに貼り付け、表示素子から出射されて接眼プリズム内部で導光された映像光をＨＯＥで回折反射させ、観察者の瞳に導くようにしている。
　一般に、ＨＯＥは波長依存性を持ち、波長に応じて回折される方向が変わる。このため、特許文献１のように、接眼プリズムにおけるＨＯＥ貼り付け面で映像光が反射する方向と、ＨＯＥで映像光が回折する方向とが、画面中心（映像観察時の画角中心）において略一致する構成では、平面状のＨＯＥを用いると、画面中心から放射状の方向に映像光の波長が分散される。特に、映像光として赤（Ｒ）、緑（Ｂ）、青（Ｂ）の３色の光を用い、各ＲＧＢの光がそれぞれ所定の波長幅を持つ場合には、ＲＧＢのそれぞれの光において上記の波長分散が起こる。この結果、画面中心以外の位置では、表示された点（画像）が画面中心から放射状に引き伸ばされて、画像品位が劣化するという問題が生じる。
　この問題を解決するために、特許文献２では、ＨＯＥ貼り付け面をシリンドリカル面で形成している。そして、観察光学系の厚さを小さくするために、シリンドリカル面の曲率半径を画像中心から遠ざかるにつれて小さくしている。
特開２００７－１１２７９号公報（図１、図３、図４等参照） 特開２０１２－１３９０８号公報
　しかしながら、特許文献２の場合、ＨＯＥ貼り付け面で発生する収差を補正するために、ＨＯＥの光学パワーを使う必要がある。そのため、波長分散の問題は低減されているとは言え、少なからず残っている。また、ＨＯＥ貼り付け面で発生する収差に関して、ＨＯＥの光学パワーにより、主光線近傍の光線に対しては収差補正可能であるが、主光線から離れた光線については、収差補正することは困難である。その結果、コマ収差が発生してしまう。
　本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、ＨＯＥの波長依存性によって画像が引き伸ばされる方向を制限することにより、ＨＯＥの波長依存性に起因する画像品位の劣化と、収差とを抑えることができる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたＨＭＤとを提供することにある。
　本発明の一側面に係る映像表示装置は、照明光学系からの光を変調して映像を表示する表示素子と、前記表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くための接眼光学系とを有する映像表示装置であって、前記接眼光学系は、前記映像光を内部で導光する接眼プリズムと、前記接眼プリズムに接して設けられ、前記接眼プリズム内部で導光された前記映像光を回折反射する体積位相型ホログラムとを有しており、前記接眼プリズムにおいて前記体積位相型ホログラムが接する面は、一方向において曲率が０であり、前記一方向と垂直な方向において０でない曲率を有する面であり、前記体積位相型ホログラムの回折パワーは、前記一方向において０ではなく、前記垂直な方向において０である。
　前記接眼プリズムを構成する面のうち、前記体積位相型ホログラムが接する面以外で前記映像光が透過する面は、平面であることが望ましい。
　前記表示素子の表示面は長方形であり、前記表示面の短手方向は、前記体積位相型ホログラムが接する面の曲率が０である前記一方向と一致していることが望ましい。
　本発明の他の側面に係るＨＭＤは、上述した映像表示装置と、前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを有している。
　接眼プリズムにおけるＨＯＥが接する面の曲率と、ＨＯＥの回折パワーとを上記のように設定することにより、画面中心以外の位置において、ＨＯＥの波長依存性によって点（画像）が伸びる方向を、一方向のみに制限することができる。これにより、平面状のＨＯＥを用いる従来に比べて、ＨＯＥの波長依存性に起因する画像品位の劣化を抑えることができる。また、ＨＯＥの回折パワーは、前記垂直な方向において０であるので、収差の発生を抑えることができる。
本発明の実施の形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 上記映像表示装置を備えたＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。
　本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
　（映像表示装置について）
　図１は、本実施形態の映像表示装置１の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置１は、照明光学系２と、偏光板３と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４と、表示素子５と、接眼光学系６とを有している。
　なお、説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。接眼光学系６によって形成される光学瞳Ｐの中心と表示素子５の表示面の中心とを光学的に結ぶ軸およびその軸の延長線を光軸とする。そして、接眼光学系６のＨＯＥ２３の光軸入射面に垂直な方向をＸ方向とする。なお、ＨＯＥ２３の光軸入射面とは、ＨＯＥ２３における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面を指す。また、各光学部材の光軸との交点における、面法線と垂直な面内で、Ｘ方向に垂直な方向をＹ方向とする。
　照明光学系２は、表示素子５を照明するものであり、光源１１と、照明ミラー１２と、拡散板１３とを有している。
　光源１１は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色に対応する光を出射するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。複数の発光点（ＲＧＢの各発光点）は、水平方向（Ｘ方向）に略直線状に並んでいる。光源１１から出射される光の波長は、例えば、光強度のピーク波長および光強度半値の波長幅で、４６２±１２ｎｍ（Ｂ光）、５２５±１７ｎｍ（Ｇ光）、６３５±１１ｎｍ（Ｒ光）である。
　本実施形態では、光源１１は、ＲＧＢ一体型のＬＥＤを２対備えている。そして、ＲＧＢのそれぞれについて、ＨＯＥ２３の光軸入射面に対して各発光点が対称に位置するように、各発光点が略直線状に並んでいる（例えばＢＧＲＲＧＢの順に発光点がＸ方向に並んでいる）。これにより、ＲＧＢの光強度の分布をＸ方向で対称にすることができる。
　照明ミラー１２は、光源１１から出射された光（照明光）を拡散板１３に向けて反射させるとともに、Ｙ方向に関して、光学瞳Ｐと光源１１とが略共役となるように、照明光を曲げる光学素子である。
　拡散板１３は、光源１１の複数の発光点が並ぶＸ方向に入射光を例えば４０°拡散し、Ｙ方向には入射光を拡散しない一方向拡散板である。拡散板１３は、偏光板３の表面に保持されている。
　偏光板３は、拡散板１３を介して入射する光のうち、所定の偏光方向の光を透過させてＰＢＳ４に導く。
　ＰＢＳ４は、偏光板３を透過した光を反射型の表示素子５の方向に反射させる一方、表示素子５にて反射された光のうち、画像信号オンに対応する光（偏光板３を透過した光とは偏光方向が直交する光）を透過させる平板状の偏光分離素子であり、接眼光学系６の後述する接眼プリズム２１の光入射面２１ａに貼り付けられている。
　ＰＢＳ４を光入射面２１ａに貼り付けることにより、ＰＢＳ４の光入射側および光出射側に各光学部材をバランスよく配置することができる。これにより、各光学部材の保持姿勢が安定する。また、接眼光学系６の上方の空いたスペースに表示素子５を配置した設計が可能となり、空間を有効利用することができ、小型化にも有利となる。また、ＰＢＳ４の接眼プリズム２１への貼り付けにより、接眼プリズム２１における空気との界面（空気と直接接触する面）が減るため、上記界面における表面反射を低減して光利用効率を向上させるとともに、表面反射によるゴーストの発生を低減できる。
　表示素子５は、照明光学系２からの光を変調して映像を表示する表示素子であり、本実施形態では、反射型の液晶表示素子で構成されている。表示素子５はカラーフィルタを有する構成であってもよいし、ＲＧＢごとに時分割で駆動される構成であってもよい。
　表示素子５は、ＰＢＳ４からほぼ垂直に入射する光がほぼ垂直に反射されてＰＢＳ４に向かうように配置されている。これにより、反射型の表示素子に対して大きな入射角で光を入射させる構成に比べて、解像度を増大させるような光学設計が容易となる。表示素子５の表示面は長方形となっており、表示面の長手方向がＸ方向となり、短手方向がＹ方向となるように配置されている。
　また、表示素子５は、照明ミラー１２からＰＢＳ４に向かう光路に対して光源１１と同じ側に配置されている。これにより、照明光学系２から表示素子５までの光学系全体をコンパクトに構成することができる。表示素子５は、光源１１と同一の基板で支持されていてもよいし、別々の基板で支持されていてもよい（図１では、光源１１および表示素子５の支持基板は省略している）。
　接眼光学系６は、表示素子５からの映像光を観察者の瞳（光学瞳Ｐ）に導くための光学系であり、非軸対称（非回転対称）な正の光学パワーを有している。この接眼光学系６は、接眼プリズム２１と、偏向プリズム２２と、ＨＯＥ２３とを有している。
　接眼プリズム２１は、表示素子５からＰＢＳ４を介して入射する映像光を内部で導光する一方、外界像の光（外光）を透過させるものであり、平行平板の上端部を上端に向かうほど厚くし、下端部を下端に向かうほど薄くした形状で構成されている。
　接眼プリズム２１においてＰＢＳ４が貼り付けられる面は、表示素子５からの映像光が入射する光入射面２１ａであり、光学瞳Ｐとほぼ平行に位置して互いに対向する２つの面２１ｂ・２１ｃは、映像光を全反射によって導光する全反射面となっている。そのうち、光学瞳Ｐ側の面２１ｂは、ＨＯＥ２３で回折反射される映像光の出射面を兼ねている。
　接眼プリズム２１は、その下端部に配置されるＨＯＥ２３を挟むように偏向プリズム２２と接着剤で接合されている。本実施形態では、接眼プリズム２１を構成する面のうち、ＨＯＥ２３が接する面２１ｄ以外で映像光が透過する面（光入射面２１ａ、面２１ｂ）は、平面となっている。なお、接眼プリズム２１において、ＨＯＥ２３が接する面２１ｄの形状については後述する。
　偏向プリズム２２は、接眼プリズム２１とＨＯＥ２３を介して貼り合わされて略平行平板を形成している。偏向プリズム２２を接眼プリズム２１と貼り合わせることで、外光が接眼プリズム２１の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム２２でキャンセルすることができ、観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
　ＨＯＥ２３は、接眼プリズム２１に接して設けられ、接眼プリズム２１内部で導光された映像光を回折反射する体積位相型で反射型のホログラム光学素子である。ＨＯＥ２３は、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で、例えば４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２１±５ｎｍ（Ｇ光）、６３４±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長域の光を回折（反射）させる。すなわち、ＨＯＥ２３のＲＧＢの回折波長は、ＲＧＢの映像光の波長（光源１１の発光波長）とほぼ対応している。
　上記の構成において、照明光学系２の光源１１から出射された光は、照明ミラー１２で反射され、拡散板１３にてＸ方向にのみ拡散された後、所定の偏光方向の光のみが偏光板３を透過する。そして、偏光板３を透過した光は、ＰＢＳ４で反射され、表示素子５に入射する。
　表示素子５では、入射光が画像信号に応じて変調される。このとき、画像信号オンに対応する映像光は、表示素子５にて入射光とは偏光方向が直交する光に変換されて出射されるため、ＰＢＳ４を透過して接眼プリズム２１の内部に光入射面２１ａから入射する。一方、画像信号オフに対応する映像光は、表示素子５にて偏光方向が変換されずに出射されるため、ＰＢＳ４で遮断され、接眼プリズム２１の内部に入射しない。
　接眼プリズム２１では、入射した映像光が接眼プリズム２１の対向する２つの面２１ｃ・２１ｂでそれぞれ１回ずつ全反射された後、ＨＯＥ２３に入射し、そこで回折反射されて面２１ｂから出射され、光学瞳Ｐに達する。したがって、この光学瞳Ｐの位置では、観察者は、表示素子５に表示された映像を虚像として観察することができる。
　一方、接眼プリズム２１、偏向プリズム２２およびＨＯＥ２３は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像をシースルーで観察することができる。したがって、表示素子５に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。
　（ＨＯＥ貼り付け面の形状およびＨＯＥの回折パワーについて）
　本実施形態では、接眼プリズム２１においてＨＯＥ２３が接する面２１ｄは、一方向であるＹ方向において曲率が０であり、一方向と垂直な方向であるＸ方向において０でない曲率を有する面としている。また、ＨＯＥ２３の回折パワー（光学パワー）は、Ｙ方向において０ではなく（例えば正の回折パワー）、Ｘ方向において０となっている。
　このように接眼プリズム２１の面２１ｄの形状およびＨＯＥ２３の回折パワーを設定することにより、Ｘ方向においては、表示素子５から出射されてＨＯＥ２３に入射する映像光を正反射に近い角度で反射させて光学瞳Ｐに導くとともに、ＨＯＥ２３の波長依存性（回折パワー）による波長分散を防止できる。一方、Ｙ方向においては、表示素子５から出射されてＨＯＥ２３に入射する映像光を、ＨＯＥ２３の回折パワーによって反射させて光学瞳Ｐに導くため、ＨＯＥ２３での回折による波長分散が生じる。このように、波長分散はＸ方向では生じず、Ｙ方向のみで生じるため、映像観察時に、画面中心以外の位置に表示された点が伸びる方向がＹ方向のみとなる。
　つまり、本実施形態では、ＨＯＥ２３の波長依存性によって画像が引き伸ばされる方向が、従来の放射状の方向からＹ方向のみに制限されることになる。したがって、放射状に画像が伸びる従来よりも画像品位の劣化を抑えることができる。しかも、ＨＯＥ２３の回折パワーは、Ｘ方向において０であるので、ＨＯＥ２３の回折パワーに起因する収差の発生を抑えることができる。
　また、ＨＯＥ２３は、フィルム状のホログラム感光材料を面２１ｄに貼り付けて２光束で露光し、これらの光束を干渉させることによって作製される。面２１ｄが一方の方向（Ｘ方向）にのみ曲率を有している場合、フィルム状のホログラム感光材料を面２１ｄに貼り付けることが容易になる利点もある。
　また、本実施形態では、接眼プリズム２１のＨＯＥ２３が接する面２１ｄで映像光が反射する方向と、ＨＯＥ２３で映像光が回折する方向とを、ＨＯＥ２３における画面中心（表示映像の中心）と対応する位置で略一致させている。この場合、上述したように接眼プリズム２１の面２１ｄの形状およびＨＯＥ２３の回折パワーを設定することにより、画面中心からＸ方向にずれた位置でも、面２１ｄで映像光が反射する方向と、ＨＯＥ２３で映像光が回折する方向とが略一致する。したがって、画面中心およびそこからＸ方向にずれた位置においては、表示される点（画像）はどちらに伸びることもない。また、画面中心およびそこからＸ方向にずれた位置から、Ｙ方向にずれた位置では、Ｙ方向に点が伸びるが、点が伸びる量は、画面中心からのＹ方向の位置ずれ量に依存して大きくなる。
　また、画像が引き伸ばされる方向がＹ方向となる場合、このＹ方向を画角の狭い方向と一致させれば、画像の劣化を最小限にできる。本実施形態では、表示素子５は、矩形の表示面の短手方向がＹ方向となるように配置されており、表示面の短手方向（画角の狭い方向）と、面２１ｄの曲率が０となる方向とが、ともにＹ方向で一致しているので、ＨＯＥ２３の波長依存性による画像の劣化を最小限に止めることができる。
　接眼プリズム２１において、映像光の透過面（例えば光入射面２１ａ、面２１ｂ）に光学パワーを持たせて光を曲げるようにすることも可能である。この場合、透過面での屈折により倍率色収差が発生し、上述のＨＯＥ２３による点の伸びと同様の現象が起こるが、通常は、回折に比べて屈折の波長依存性は小さいので、回折パワーのみ（回折による波長依存性）を考えておけば十分である。
　本実施形態では、接眼プリズム２１を構成する面のうち、ＨＯＥ２３が接する面２１ｄ以外で映像光が透過する面（光入射面２１ａ、面２１ｂ）は平面であるため、上記した屈折の波長依存性の影響をほとんど無視することができる。
　本実施形態では、面２１ｄは、Ｘ方向において光学瞳Ｐ側に凹となる曲率を有しているが、接眼プリズム２１において映像光の透過面に光学パワーを持たせるのであれば、面２１ｄは、Ｘ方向において光学瞳Ｐ側に凸となる曲率を有していてもよい。
　（ＨＭＤについて）
　図２は、本実施形態の映像表示装置１を備えたＨＭＤ３０の概略の構成を示す斜視図である。ＨＭＤ３０は、上述した映像表示装置１と、支持部材３１とで構成されている。
　映像表示装置１の照明光学系２や表示素子５等は、筐体３２内に収容されており、接眼光学系６の上端部も筐体３２内に位置している。接眼光学系６は、上述したように接眼プリズム２１および偏向プリズム２２の貼り合わせによって構成されており、全体として眼鏡の一方のレンズ（図２では右眼用レンズ）のような形状をしている。また、筐体３２内の光源１１および表示素子５は、筐体３２を貫通して設けられるケーブル３３を介して、図示しない回路基板と接続されており、回路基板から光源１１および表示素子５に駆動電力や映像信号が供給される。
　なお、映像表示装置１は、静止画や動画を撮影する撮像装置、マイク、スピーカー、イヤホンなどをさらに備え、外部のサーバーや端末とインターネット等の通信回線を介して、撮像画像および表示画像の情報や音声情報をやりとり（送受信）する構成であってもよい。
　支持部材３１は、眼鏡のフレームに相当する支持機構であり、映像表示装置１を観察者の眼前（図２では右眼の前）で支持している。この支持部材３１は、観察者の左右の側頭部に当接するテンプル３４（右テンプル３４Ｒ、左テンプル３４Ｌ）と、観察者の鼻と当接する鼻当て３５（右鼻当て３５Ｒ・左鼻当て３５Ｌ）とを含んでいる。なお、支持部材３１は、観察者の左眼の前でレンズ３６も支持しているが、このレンズ３６はダミーレンズである。
　ＨＭＤ３０を観察者の頭部に装着し、表示素子５に映像を表示すると、その映像光が接眼光学系６を介して光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置に観察者の瞳を合わせることにより、観察者は、映像表示装置１の表示映像の拡大虚像を観察することができる。また、これと同時に、観察者は接眼光学系６を介して、外界像をシースルーで観察することができる。
　このように、映像表示装置１が支持部材３１で支持されることにより、観察者は映像表示装置１から提供される映像をハンズフリーで長時間安定して観察することができる。なお、映像表示装置１を２つ用いて両眼で映像を観察できるようにしてもよい。
　（実施例について）
　以下、図１で示した映像表示装置１の数値実施例について、コンストラクションデータ等を挙げてさらに具体的に説明する。
　なお、以下に示すコンストラクションデータにおいて、Ｓｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）は、光源１１から光学瞳Ｐに至る光路中で、光学瞳Ｐ側から数えてｉ番目の面（接眼プリズム２１の映像光出射面を１番目の面とする）を示している。したがって、Ｓ２は接眼プリズム２１の面２１ｄ（ＨＯＥ貼り付け面）、Ｓ３は面２１ｂ（全反射面（Ｓ１と同一平面））、Ｓ４は面２１ｃ（全反射面）、Ｓ５は面２１ａ（ＰＢＳ貼り付け面）、Ｓ６はＰＢＳ４の透過面、Ｓ７は表示素子５のカバーガラス表面、Ｓ８は表示素子５の液晶面、Ｓ９は表示素子５のカバーガラス表面、Ｓ１０はＰＢＳ４の反射面、Ｓ１１は偏光板３の出射面、Ｓ１２は偏光板３と拡散板１３との境界面、Ｓ１３は拡散板１３の入射面、Ｓ１４は照明ミラー１２の反射面、Ｓ１５は光源１１のＬＥＤ発光面、である。
　各面Ｓｉの配置は、面頂点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度（ＡＤＥ）の各面データでそれぞれ特定される。面Ｓｉの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表されている（単位はｍｍ）。また、面Ｓｉの傾きは、その面頂点を中心とするｘ軸回りの回転角度（ｘ回転）で表されている。なお、回転角度の単位は°であり、ｘ軸の正方向から見て（図１の紙面手前から奥に向かって見て）反時計回りの方向がｘ回転の回転角度の正方向とする。
　また、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は、出射面（Ｓ１）のローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と一致した絶対座標系になっている。なお、出射面（Ｓ１）では、出射面（Ｓ１）からＨＯＥ２３に向かう方向が＋Ｚ方向であり、出射面（Ｓ１）に対して上方向が＋Ｙ方向であり、ＹＺ平面に垂直な方向であって、図１の紙面奥から手前に向かう方向（ＨＭＤを装着したときに左から右に向かう方向）が＋Ｘ方向である。
　また、本実施例で用いたＨＯＥを作製する際の製造波長（ＨＷＬ；規格化波長）および再生波長はともに５３２ｎｍであり、回折光の使用次数は１次である。
　また、本実施例では、ＨＯＥによる複雑な波面再生を行うので、位相関数φによってＨＯＥを定義する。位相関数φは、以下の数１式に示すように、ＨＯＥの位置（Ｘ，Ｙ）による生成多項式（二元多項式）である。なお、数１式において、Ａ（ｉ，ｊ）は、ＸｉＹｊの係数（ＨＯＥ係数）を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　また、コンストラクションデータにおいて、多項式自由曲面の面形状は、次の数２式によって表現される。ただし、Ｚは座標（Ｘ，Ｙ）の位置でのＺ軸方向（光軸方向）のサグ量（ｍｍ）を示し、Ａ（ｉ，ｊ）は、ＸｉＹｊの係数（自由曲面係数）を示す。なお、数２式では、球面項を示す部分は存在していない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　表１は、本実施例の映像表示装置１の各面の座標を示し、表２～表４は、本実施例の映像表示装置１におけるＨＯＥの位相関数φの係数（ＨＯＥ係数）Ａ（ｉ，ｊ）、ＨＯＥ面（ＨＯＥ貼り付け面）の形状式係数、照明ミラーの形状式係数を、Ｘの次数とＹの次数とに対応させて示している。ＨＯＥ面および照明ミラーの形状式係数は、数２式の自由曲面係数で示している。なお、表２～表４において、１行目はＸの次数を示し、１列目はＹの次数を示している。また、全ての表において、表記の無い次数の係数は全て０であり、Ｅ－ｎ＝×１０－ｎとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　本実施例では、表２に示すように、ＨＯＥ係数がＹ０次の全ての項で０であり、また、数２式に球面項を示す部分が存在しないことで、ＨＯＥのＸ方向の回折パワーを０にしている。また、表３に示すように、ＨＯＥ面の形状式係数が、Ｙ０次Ｘ偶数次（範囲は２～１０）の項で０でなく、Ｙ０次で無い項で全て０であることにより、ＨＯＥ面がＸ方向に曲率を有しており、Ｙ方向には曲率を有していないことがわかる。このように構成したことで、ＨＯＥの波長依存性（回折パワー）によって点が延びる方向が、上下方向のみとなり、それゆえ、放射状に画像が伸びる従来よりも、画像品位の劣化を抑えることができる。
　（補足）
　本実施形態で示した映像表示装置は、以下の構成であってもよい。
　（１）接眼プリズムにおいてＨＯＥが接する面は、Ｘ方向において光学瞳側に凹となる曲率を有している。
　（２）ＨＯＥのＹ方向における回折パワーは、正である。
　（３）接眼プリズムにおけるＨＯＥが接する面で映像光が反射する方向と、ＨＯＥで映像光が回折する方向とが、ＨＯＥにおける画面中心と対応する位置で略一致している。
　（４）映像表示装置は、
　照明光学系からの光のうち、所定の偏光方向の光を透過する偏光板と、
　上記偏光板を透過した光を表示素子としての反射型液晶表示素子の方向に反射させる一方、反射型液晶表示素子にて反射される光のうち、入射光と偏光方向が直交する光（画像信号オンに対応する光）を透過させる偏光分離素子とを備え、
　上記偏光分離素子は、接眼プリズムにおける映像光の入射面に貼り付けられている。
　また、本実施形態で示したＨＭＤは、上記の映像表示装置を支持部材で支持してなる構成であってもよい。
　本発明の映像表示装置は、ＨＭＤに利用可能である。
　　　１　　　映像表示装置
　　　２　　　照明光学系
　　　５　　　表示素子
　　　６　　　接眼光学系
　　２１　　　接眼プリズム
　　２１ｄ　　面
　　２３　　　ＨＯＥ（体積位相型ホログラム）
　　３０　　　ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）
　　３１　　　支持部材

Claims (4)

  1. 　照明光学系からの光を変調して映像を表示する表示素子と、
    　前記表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くための接眼光学系とを有する映像表示装置であって、
    　前記接眼光学系は、
    　前記映像光を内部で導光する接眼プリズムと、
    　前記接眼プリズムに接して設けられ、前記接眼プリズム内部で導光された前記映像光を回折反射する体積位相型ホログラムとを有しており、
    　前記接眼プリズムにおいて前記体積位相型ホログラムが接する面は、一方向において曲率が０であり、前記一方向と垂直な方向において０でない曲率を有する面であり、
    　前記体積位相型ホログラムの回折パワーは、前記一方向において０ではなく、前記垂直な方向において０である映像表示装置。
  2. 　前記接眼プリズムを構成する面のうち、前記体積位相型ホログラムが接する面以外で前記映像光が透過する面は、平面である請求項１に記載の映像表示装置。
  3. 　前記表示素子の表示面は長方形であり、
    　前記表示面の短手方向は、前記体積位相型ホログラムが接する面の曲率が０である前記一方向と一致している請求項１または２に記載の映像表示装置。
  4. 　請求項１から３のいずれかに記載の映像表示装置と、
    　前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを有しているヘッドマウントディスプレイ。
PCT/JP2014/056241 2013-03-26 2014-03-11 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ WO2014156599A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015508252A JP6229711B2 (ja) 2013-03-26 2014-03-11 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
US14/779,404 US20160041393A1 (en) 2013-03-26 2014-03-11 Video Display Device And Head-Mounted Display

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013-064587 2013-03-26
JP2013064587 2013-03-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014156599A1 true WO2014156599A1 (ja) 2014-10-02

Family

ID=51623582

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2014/056241 WO2014156599A1 (ja) 2013-03-26 2014-03-11 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20160041393A1 (ja)
JP (1) JP6229711B2 (ja)
WO (1) WO2014156599A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016147868A1 (ja) * 2015-03-13 2016-09-22 コニカミノルタ株式会社 映像表示装置と光学シースルーディスプレイ
US11768461B2 (en) 2018-09-12 2023-09-26 Lg Chem, Ltd. Manufacturing method of holographic optical element and display device including holographic optical device manufactured thereby

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10048647B2 (en) 2014-03-27 2018-08-14 Microsoft Technology Licensing, Llc Optical waveguide including spatially-varying volume hologram
US10210844B2 (en) 2015-06-29 2019-02-19 Microsoft Technology Licensing, Llc Holographic near-eye display
DE102015116297A1 (de) * 2015-09-25 2017-03-30 Carl Zeiss Smart Optics Gmbh Abbildungsoptik sowie Anzeigevorrichtung mit einer solchen Abbildungsoptik
WO2018043254A1 (ja) * 2016-09-05 2018-03-08 コニカミノルタ株式会社 映像表示装置と光学シースルーディスプレイ
US10108144B2 (en) 2016-09-16 2018-10-23 Microsoft Technology Licensing, Llc Holographic wide field of view display
US10254542B2 (en) 2016-11-01 2019-04-09 Microsoft Technology Licensing, Llc Holographic projector for a waveguide display
US11022939B2 (en) 2017-01-03 2021-06-01 Microsoft Technology Licensing, Llc Reduced bandwidth holographic near-eye display
US10712567B2 (en) 2017-06-15 2020-07-14 Microsoft Technology Licensing, Llc Holographic display system
JP7259461B2 (ja) * 2019-03-25 2023-04-18 セイコーエプソン株式会社 表示装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007011279A (ja) * 2005-05-30 2007-01-18 Konica Minolta Photo Imaging Inc 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
WO2010032700A1 (ja) * 2008-09-17 2010-03-25 コニカミノルタホールディングス株式会社 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
WO2011155357A1 (ja) * 2010-06-07 2011-12-15 コニカミノルタオプト株式会社 映像表示装置、ヘッドマウントディスプレイおよびヘッドアップディスプレイ
JP2012013908A (ja) * 2010-06-30 2012-01-19 Konica Minolta Opto Inc 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005202060A (ja) * 2004-01-14 2005-07-28 Olympus Corp 観察光学系
US7405881B2 (en) * 2005-05-30 2008-07-29 Konica Minolta Holdings, Inc. Image display apparatus and head mount display
US10274660B2 (en) * 2008-11-17 2019-04-30 Luminit, Llc Holographic substrate-guided wave-based see-through display

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007011279A (ja) * 2005-05-30 2007-01-18 Konica Minolta Photo Imaging Inc 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
WO2010032700A1 (ja) * 2008-09-17 2010-03-25 コニカミノルタホールディングス株式会社 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
WO2011155357A1 (ja) * 2010-06-07 2011-12-15 コニカミノルタオプト株式会社 映像表示装置、ヘッドマウントディスプレイおよびヘッドアップディスプレイ
JP2012013908A (ja) * 2010-06-30 2012-01-19 Konica Minolta Opto Inc 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016147868A1 (ja) * 2015-03-13 2016-09-22 コニカミノルタ株式会社 映像表示装置と光学シースルーディスプレイ
EP3270209A4 (en) * 2015-03-13 2018-03-28 Konica Minolta, Inc. Image display device and optical see-through display
US11768461B2 (en) 2018-09-12 2023-09-26 Lg Chem, Ltd. Manufacturing method of holographic optical element and display device including holographic optical device manufactured thereby

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2014156599A1 (ja) 2017-02-16
JP6229711B2 (ja) 2017-11-15
US20160041393A1 (en) 2016-02-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6229711B2 (ja) 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
US8094377B2 (en) Head-mounted optical apparatus using an OLED display
JP4874593B2 (ja) 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
US6704128B2 (en) Optical system and device using the same
US6445507B2 (en) Viewing optical system and image display apparatus using the same
US20110194163A1 (en) Image display device and head-mounted display
WO2010032700A1 (ja) 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
WO2010041578A1 (ja) 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
WO2011155357A1 (ja) 映像表示装置、ヘッドマウントディスプレイおよびヘッドアップディスプレイ
JP5286638B2 (ja) 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
JP2002107658A (ja) 画像観察光学系
JP2002311379A (ja) 観察光学系
JP2010122478A (ja) 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
WO2016147868A1 (ja) 映像表示装置と光学シースルーディスプレイ
US6621606B2 (en) Optical system and device using the same
US9835865B2 (en) Video display device and head-mounted display
WO2010044356A1 (ja) 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
JP2009157290A (ja) 映像表示装置及びヘッドマウントディスプレイ
JP4985247B2 (ja) ヘッドマウントディスプレイ
JP2009151043A (ja) 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
JP2008216852A (ja) 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
JP6597784B2 (ja) 画像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
JP6566025B2 (ja) 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
JP2018066799A (ja) 画像表示装置と光学シースルーディスプレイ
JP2017161570A (ja) ホログラフィック光学素子の製造方法および映像表示装置の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14774146

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2015508252

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14779404

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14774146

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1