WO2019176071A1 - 画像表示装置 - Google Patents

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WO2019176071A1
WO2019176071A1 PCT/JP2018/010324 JP2018010324W WO2019176071A1 WO 2019176071 A1 WO2019176071 A1 WO 2019176071A1 JP 2018010324 W JP2018010324 W JP 2018010324W WO 2019176071 A1 WO2019176071 A1 WO 2019176071A1
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image
light
display element
screen
partial reflection
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PCT/JP2018/010324
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English (en)
French (fr)
Inventor
与希 有田
Original Assignee
株式会社島津製作所
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    • 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
    • G02B27/02—Viewing or reading apparatus

Definitions

  • the present invention relates to an image display device that displays image information as a virtual image in front of a user's eyes, and more particularly to an image display device that uses a light guide that expands a light beam (exit pupil).
  • the image display device according to the present invention is suitable for an image display device such as a helmet-mounted display, a head-up display, or a glasses-type display (so-called smart glass).
  • a head that forms a display image with a virtual image in front of the driver's eyes by projecting an image displayed on a display element such as a liquid crystal display (LCD) onto a windshield or combiner and reflecting the image on the driver's side Up display is used.
  • a helmet-mounted display that projects images onto a combiner provided in a helmet worn by the pilot on the head and forms a display image as a virtual image in front of the pilot is used by a similar mechanism.
  • eyeglass-type or head-mounted head-mounted displays called smart glasses have begun to spread.
  • Such image display devices are known in various types as an optical system 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).
  • a light guide light guide plate
  • a light beam having a small cross-sectional area including image information formed by an image forming unit and a collimating optical system is introduced into a light guide having a substantially rectangular flat plate shape.
  • the light guide expands the light flux.
  • an image display device using such a light guide is simply referred to as an image display device.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an optical path configuration in an example of a conventional image display apparatus.
  • This schematic diagram is a diagram of a state where an observer observing a displayed image is viewed from the side.
  • x, y, and z axes orthogonal to each other are defined as shown in the figure.
  • the image display device 2 includes a light source unit 21, a display element 22, a collimating optical system 23, and a light guide 20.
  • the display element 22 is a transmissive liquid crystal display element
  • the light source unit 21 is a backlight light source for a so-called transmissive liquid crystal display element.
  • the light emitted from the light source unit 21 illuminates the display element 22 from the back side, and light including information formed on the display surface of the display element 22 as information is emitted from the display element 22.
  • the collimating optical system 23 introduces the image light emitted from each point (pixel) on the display surface of the display element 22 into the light guide 20 as a substantially parallel light beam. Accordingly, the light introduced from the collimating optical system 23 into the light guide 20 includes information on different parts of the image formed on the display surface of the display element 22 and enters the light guide 20 at different angles. Is a set of
  • the light guide 20 includes a transparent substrate 200 having a flat cubic shape having a first surface 200a and a second surface 200b parallel to the yz plane, and a third surface and a fourth surface (not shown) parallel to the xy plane. Prepare. Inside the substrate 200, one incident-side reflecting surface 201 and a plurality (three in this example) of exit-side reflecting surfaces 202a to 202c are formed. The incident-side reflection surface 201 is perpendicular to the third surface and the fourth surface, and is inclined with respect to the first surface 200a and the second surface 200b.
  • the plurality of exit-side reflecting surfaces 202a to 202c are perpendicular to the third surface and the fourth surface, are inclined with respect to the first surface 200a and the second surface 200b, and are parallel to each other.
  • the incident-side reflection surface 201 is a reflection surface by a mirror or the like, and the emission-side reflection surfaces 202a to 202c are partial reflection surfaces having a predetermined reflectance, that is, beam splitters.
  • a light beam including image information (hereinafter referred to as “image light”) introduced from the collimating optical system 23 to the light guide 20 is reflected by the incident-side reflecting surface 201 and then the first surface 200a and the second surface 200b. Then, the light passes through the inside of the substrate 200 while being reflected one or more times and reaches the exit-side reflection surface 202a.
  • the exit-side reflecting surface 202a reflects part of the arrived image light and transmits the rest.
  • the transmitted image light reaches the next exit-side reflecting surface 202b, a part of the light is reflected, and the rest is transmitted. The same applies to the exit-side reflecting surface 202c.
  • the image light that has passed through the inside of the substrate 200 of the light guide 20 is reflected by the plurality of exit-side reflecting surfaces 202a to 202c, passes through the first surface 200a of the substrate 201, and exits to the outside.
  • the image light reflected by each of the exit-side reflecting surfaces 202a to 202c is incident on the observer's eye E at a predetermined angle.
  • the image formed on the display surface of the display element 22 is displayed as a virtual image in front of the eyes of the observer.
  • the substrate 200 of the light guide 20 is transparent and the exit-side reflecting surfaces 202a to 202c are partially reflecting surfaces, the observer can also visually recognize the scenery in front through the light guide 20.
  • the see-through type image display device using such a light guide has the feature of being compact and lightweight.
  • the conventional image display apparatus has the following problems.
  • an image viewed by the observer is formed by the image light reflected by each of the plurality of exit-side reflecting surfaces 202a to 202c that are vertically different.
  • image light sequentially passes through the exit-side reflection surfaces 202 a and 202 b while being partially reflected. Therefore, the light that reaches the observer's eye E from the exit side reflection surface that is relatively located on the upper side and that passes through the exit side reflection surface is observed from the exit side reflection surface that is relatively located on the lower side.
  • the amount of light is less than the light reaching the person's eye E.
  • the light that reaches from the upper side to the observer's eye E from the exit-side reflecting surface located on the upper side forms an upper region of the image viewed by the observer
  • the exit-side reflecting surface located on the lower side To the observer's eye E from below forms a lower region of the image viewed by the observer. Therefore, the upper area of the image viewed by the observer is darker than the lower area, that is, uneven brightness occurs.
  • the reflectance (in other words, the transmittance) of the plurality of exit-side reflecting surfaces 202a to 202c is the same, but in the image display device described in Patent Document 4, the reflectance of the plurality of exit-side reflecting surfaces is different from each other.
  • the higher the reflectance is the higher the reflectance is, so that the uneven luminance of the observed image is eliminated.
  • the reflectances of the plurality of exit-side reflecting surfaces are different from each other in this way, when the front landscape is viewed through the light guide, the transmittance of each exit-side reflecting surface is different, and thus the luminance unevenness in the front landscape. There is a problem that will occur.
  • an image display device using a light guide that has only one exit-side reflecting surface instead of a plurality of exit-side reflecting surfaces but such devices also reflect on the exit-side reflecting surface at a position close to the incident-side reflecting surface.
  • the amount of light that reaches the viewer's eyes after being reflected at a position away from the incident-side reflection surface is less than the light that reaches the viewer's eyes. This is because the number of times light passes through one exit-side reflecting surface increases as the distance from the incident-side reflecting surface increases. Therefore, the problem that the luminance unevenness of the image viewed by the observer occurs is the same in the image display apparatus using the light guide having only one exit-side reflection surface.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and in a see-through type image display device using a light guide, while suppressing unevenness in luminance of front view information such as scenery viewed through the light guide,
  • the main purpose is to obtain an image display device capable of reducing unevenness in luminance of a display image formed as a virtual image in front of the eyes.
  • An image display device which has been made to solve the above problems, a) an image forming unit that emits image light including, as information, an image formed on the screen of the display element; b) a collimating optical system for collimating the image light from the image forming unit; c) An incident part and one or a plurality of partial reflection parts are provided inside or on the surface of the transparent substrate, and image light as parallel light by the collimating optical system is guided to the inside of the substrate through the incident part.
  • a light guide that sequentially reflects a part of the image light by the single or plural partial reflection portions and emits the image light to the outside; An image light reflected at a position relatively far from the incident portion in the single partial reflection portion, or a partial reflection portion at a position relatively far from the incident portion among the plurality of partial reflection portions.
  • the brightness of the area on the screen of the display element corresponding to the partial area of the image that is the source of the virtual image formed by the reflected image light is relatively close to the incident part in the single partial reflection part
  • the brightness of each area on the screen of the display element is determined so as to be higher than the brightness of the area on the screen of the display element corresponding to.
  • the amount of image light emitted from the screen of the display element of the image forming unit is substantially uniform within the screen, that is, the luminance of the image on the screen of the display element is substantially uniform. is there.
  • the brightness of the image on the screen of the display element is not uniform, and the brightness is different for each of the divided areas. Specifically, in the case where there are a plurality of partial reflection portions, the light that is transmitted or reflected more frequently as the partial reflection portion is farther from the incident portion on the inside or on the surface of the light guide substrate.
  • an image formed by image light reflected at the position closer to the inside of the light guide substrate or the incident portion on the surface of the partial guide on the partial reflection portion is increased.
  • the image light attenuates every time the image light is transmitted through or reflected by the partially reflecting portion inside the light guide substrate.
  • the image light is finally propagated in the image displayed as a virtual image.
  • the portion where the attenuation of light is large the greater the amount of light on the screen of the display element that is the image generation source, that is, the higher the luminance.
  • the portion of the image that is finally displayed as a virtual image in which the attenuation of light during propagation is small the amount of light on the screen of the display element that is the image generation source is small, that is, the luminance is low.
  • the plurality of partial reflection portions may have substantially the same reflectivity. As described above, if the reflectance of the plurality of partial reflection portions is substantially the same, it is possible to avoid uneven brightness of the front visual field information such as a landscape viewed by the observer through the light guide.
  • the image forming unit can take various forms.
  • the image forming unit may include a display element and a light source unit that illuminates the screen of the display element.
  • a display element a liquid crystal display element such as a transmission type or a reflection type, a DMD (digital macro mirror device), or a MEMS (micro electro mechanical system) mirror that is scanned so as to change the angle of incident laser light is used. be able to.
  • the light source unit an LED, a laser, or the like can be used.
  • a self-luminous display element such as an organic EL display is used as the display element, another light source unit is unnecessary (the light source unit can be regarded as being incorporated in the display element).
  • the image forming unit includes a light source unit that two-dimensionally illuminates the display element and a screen of the display element, and the amount of light emitted from the light source unit is the illumination target. It can be set as the structure defined so that it may differ for every area
  • the luminance of each area on the screen of the display element can be changed by appropriately adjusting the amount of light emitted by the number of light emitting elements. Or you may make it arrange
  • the amount of light emitted from the laser light may be changed in synchronization with the scanning of the MEMS mirror.
  • the amount of illumination light that differs for each area on the screen of the display element is determined by the reflectance of the plurality of partial reflection portions of the light guide, the transmittance of the substrate, etc. It can be determined at the stage of adjustment when assembling the device.
  • the luminance can be varied for each area on the screen of the display element by the function of the display element itself.
  • the number of areas on the screen of the display element in which different luminances are determined may be equal to or less than the number of the partial reflection portions. Therefore, for example, when there are three partial reflection portions, different brightness may be set for each region obtained by dividing the screen of the display element into three at most.
  • the image display device of the present invention it is possible to reduce the uneven brightness of the display image formed as a virtual image in front of the observer's eyes while suppressing the uneven brightness of the front view information such as the scenery viewed through the light guide. Thereby, the visibility of both the front visual field information such as scenery and the virtual image by the image display device can be enhanced.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical system in an image display apparatus that is an embodiment of the present invention. Explanatory drawing of the difference of the luminance distribution on the screen of a display element and the luminance distribution of the virtual image observed with an image display apparatus in the image display apparatus of a present Example, and the conventional image display apparatus.
  • FIG. 6 is a partial configuration diagram of an optical system in an image display apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • 1 is a schematic configuration diagram of an optical system in an example of a conventional image display device.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical system in the image display apparatus of the present embodiment.
  • FIG. 1 is a view of a state in which the observer of the image is viewed from the side as in FIG. 4 described above.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of the difference between the luminance distribution on the screen of the display element and the luminance distribution of the virtual image observed by the image display device in the image display device of this embodiment and the conventional image display device shown in FIG. is there.
  • the image display apparatus 1 of the present embodiment includes a brightness adjusting unit 14 in addition to a light guide 10, a light source unit 11, a display element 12, and a collimating optical system 13.
  • the light guide 10 is basically the same as the light guide 20 in FIG. 4 (however, parameters such as size do not have to be the same), and the first surface 100a and the second surface 100b are parallel to the yz plane.
  • a transparent substrate 100 having a flat cubic shape having a third surface and a fourth surface (not shown) parallel to the xy plane.
  • the substrate 100 is made of, for example, polycarbonate resin or quartz glass. Inside the substrate 100, one incident-side reflecting surface 101 corresponding to the incident portion in the present invention and a plurality of exit-side reflecting surfaces 102a to 102c corresponding to the partial reflecting portions in the present invention are formed.
  • the incident-side reflection surface 101 is perpendicular to the third surface and the fourth surface, and is inclined with respect to the first surface 100a and the second surface 100b.
  • the plurality of exit-side reflecting surfaces 102a to 102c are perpendicular to the third surface and the fourth surface, are inclined with respect to the first surface 100a and the second surface 100b, and are parallel to each other. Further, the exit-side reflecting surfaces 102a to 102c have the same reflectance.
  • the display element 12 is a transmissive liquid crystal display element, similar to the display element 22 in FIG. 4, and the light source unit 11 is a backlight light source.
  • the light source unit 11 is a planar light source composed of, for example, a large number of LEDs, and its light emitting surface is divided into three regions 11a, 11b, and 11c in the y-axis direction.
  • the conventional image display device 2 shown in FIG. 4 is configured so that the amount of light on the light emitting surface of the light source unit 21 is as uniform as possible.
  • the light amount differs for each of the areas 11 a, 11 b, and 11 c on the light emitting surface of the light source unit 11 based on the light amount setting by the luminance adjustment unit 14.
  • the light source unit 11 emits light so that the luminance of the three regions 12a, 12b, and 12c on the display screen of the display element 12 is relatively high on the upper side.
  • region 11a, 11b, 11c of a surface is each set.
  • Image light emitted from the display screen of the display element 12 in response to illumination light from the light source unit 11 as described above is collimated by the collimating optical system 13. Then, the image light that has been collimated and introduced into the light guide 10 is reflected by the incident-side reflecting surface 101 and then reflected by the first surface 100a and the second surface 100b one or more times while being reflected inside the substrate 100. And reaches the exit-side reflecting surface 102a located at the lowest position.
  • the exit-side reflecting surface 102a reflects a part of the reached light beam and transmits the rest.
  • the transmitted light reaches the next exit-side reflecting surface 102b, a part of the light beam is reflected, and the rest is transmitted.
  • the exit-side reflecting surface 102c Therefore, the light flux that has passed through the inside of the substrate 100 of the light guide 10 is reflected by the plurality of exit-side reflecting surfaces 102a to 102c, and passes through the first surface 100a of the substrate 100 and exits to the outside.
  • the amount of image light reaching the exit-side reflecting surface 102b is smaller than the amount of image light reaching the exit-side reflecting surface 102a, and the image light reaching the exit-side reflecting surface 102c is compared to the image light reaching the exit-side reflecting surface 102b.
  • the amount of light is small.
  • the image light reflected by the exit-side reflecting surfaces 102a to 102c is incident on the observer's eye E at a predetermined angle, but is reflected by the exit-side reflecting surface 102b in an image that is a virtual image that appears in front of the eyes.
  • the image light that reaches the observer's eye E almost from the front forms an image of a band-like region in the z-axis direction approximately near the center of the image.
  • the image light reflected from the exit-side reflecting surface 102a and reaching the observer's eye E from obliquely below forms an image of a belt-like region in the z-axis direction in the vicinity of the lower side of the image.
  • the image light reflected from the exit-side reflecting surface 102c and reaching the observer's eye E obliquely from above forms an image of a band-like region in the z-axis direction near the upper side of the image.
  • the image may be inverted between the image on the display screen of the display element 12 and the display image formed by the exit-side reflecting surfaces 102a to 102c.
  • the image light reflected by the exit-side reflecting surface 102c is emitted from the region 12c on the display screen of the display element 12, that is, the region having the highest luminance.
  • the amount of light attenuation inside the substrate 100 of the light guide 10 is as follows. The biggest.
  • the image light reflected by the exit-side reflecting surface 102a is emitted from the region 12a on the display screen of the display element 12, that is, the region having the lowest luminance.
  • the light attenuation within the substrate 100 of the light guide 10 is performed. The amount is the smallest.
  • FIG. 2B shows the luminance distribution on the display screen of the display element 22 in the conventional image display device 2 and the luminance distribution of an image that is a virtual image observed by an observer.
  • luminance unevenness occurs in the observed image due to a difference in light attenuation within the substrate 100 of the light guide 10.
  • a highly visible virtual image with reduced luminance unevenness can be displayed in front of the observer's eyes.
  • the attenuation amount of light from the front scenery that reaches the observer's eye E through the light guide 10 is the light guide 10's attenuation amount. It is the same regardless of position. Therefore, there is substantially no luminance unevenness in the front visual field information such as a landscape seen from the observer's eye E. That is, in the image display apparatus according to the present embodiment, it is possible to provide the observer with an image with no or little luminance unevenness for both the front visual field information such as scenery and the virtual image formed by the image display apparatus.
  • FIG. 3 is a partial configuration diagram of an image display apparatus according to another embodiment.
  • the amount of light on the light emitting surface of the light source unit 11 is uniform as in the prior art.
  • a neutral density filter 15 having a different light transmittance in the plane is disposed, and light is transmitted through the neutral density filter 15. Irradiation light having different light amounts depending on the region is formed. Even with such a configuration, the luminance distribution on the display screen of the display element 12 as shown in FIG. 2A can be realized.
  • the image forming unit including the light source unit 11 and the display element 12 that are image light generation sources can take various forms.
  • the display element 12 a reflective liquid crystal display element, an organic EL display, a DMD (digital macro mirror device), a MEMS mirror, or the like can be used.
  • the luminance can be changed using the function of the liquid crystal display element itself as in a general display. Further, when a reflective liquid crystal display element or DMD is used as the display element 12, the amount of light on the light emitting surface of the light source unit that illuminates the liquid crystal display element or DMD from the front side may be changed for each region. When a self-luminous display element such as an organic EL display is used as the display element 12, the amount of emitted light of the element itself may be changed for each region on the display screen.
  • the display screen of the display element 12 is controlled by controlling the amount of emitted laser light in synchronization with the scanning of the MEMS mirror.
  • the brightness can be changed for each upper region.
  • the configuration of the light guide 10 in the image display device of the above embodiment specifically, the configuration of the incident portion and the partial reflection portion in the present invention can be variously modified according to the configuration of the known light guide.
  • a part of the first surface 100 a of the substrate 100 of the light guide 10 is a first part.
  • it may be a reflective surface that reflects image light on the non-parallel surface (interface between the substrate 100 and the outside).
  • a hologram surface such as a reflective volume hologram grating as described in Non-Patent Document 2 and Patent Documents 1 and 2 may be used as the incident portion.
  • a hologram surface such as a reflective volume hologram grating may be used as a partial reflection portion that emits image light from the inside of the substrate 100 of the light guide 10 to the outside.
  • a hologram surface such as a reflective volume hologram grating may be used as a partial reflection portion that emits image light from the inside of the substrate 100 of the light guide 10 to the outside.

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Abstract

光源部（１１）の発光面は複数の領域（１１ａ～１１ｃ）に分割され、該発光面は上に位置する領域ほど大きな光量の光を発する。この光源部（１１）及び表示素子（１２）により生成された画像光はコリメート光学系（１３）に入射し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）で全反射されビームスプリッタである複数の射出側反射面（１０２ａ～１０２ｃ）に達する。画像光の一部は複数の射出側反射面（１０２ａ～１０２ｃ）で各々反射され観察者の眼Ｅに到達する。射出側反射面（１０２ａ～１０２ｃ）を透過する毎に画像光の光量は減衰するが、表示素子（１２）の画面上で上方から発する光は下方から発する光よりも光量が大きいので、各射出側反射面（１０２ａ～１０２ｃ）で反射される画像光により形成される画像の輝度むらは殆どなくなる。

Description

画像表示装置
　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。
　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。
　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。
　図４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の図であり、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。
　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。ここでは表示素子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。
　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３枚）の射出側反射面２０２ａ～２０２ｃ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～２０２ｃ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～２０２ｃ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。
　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（以下「画像光」という）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は到達した画像光の一部を反射させ、残りを透過させる。透過した画像光は次の射出側反射面２０２ｂに到達し、その光の一部は反射され、残りは透過する。射出側反射面２０２ｃ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画像光は複数の射出側反射面２０２ａ～２０２ｃでそれぞれ反射され、基板２０１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～２０２ｃで反射された画像光はそれぞれ所定の角度で観察者の眼Ｅに入射する。
　このようにしてこの画像表示装置２では、表示素子２２の表示面に形成された画像が虚像として観察者の眼前に表示される。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～２０２ｃは部分反射面であるため、観察者はライトガイド２０を通して前方の風景を視認することもできる。
　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、従来の画像表示装置では次のような問題がある。即ち、この画像表示装置では、上下方向に異なる複数の射出側反射面２０２ａ～２０２ｃでそれぞれ反射された画像光によって、観察者が見る画像が形成される。ライトガイド２０の基板２００内部で、画像光はその一部が反射されつつ射出側反射面２０２ａ、２０２ｂを順次通過する。そのため、射出側反射面を通過する回数が多い、相対的に上側に位置する射出側反射面から観察者の眼Ｅに到達する光は、相対的に下側に位置する射出側反射面から観察者の眼Ｅに到達する光よりもその光量が少ない。このとき、上側に位置する射出側反射面から観察者の眼Ｅに対してその上方から到達する光は、観察者が見る画像の上側の領域を形成し、下側に位置する射出側反射面から観察者の眼Ｅに対してその下方から到達する光は、観察者が見る画像の下側の領域を形成する。そのため、観察者が見る画像の上側の領域は下側の領域に比べて暗くなる、つまりは輝度むらが発生してしまう。
　一般に複数の射出側反射面２０２ａ～２０２ｃの反射率（換言すれば透過率）は同一であるが、特許文献４に記載の画像表示装置では、複数の射出側反射面の反射率を互いに異なるものとすることで、具体的には上にいくほど反射率を高くすることで、観察される画像の輝度むらを解消するようにしている。しかしながら、このように複数の射出側反射面の反射率を互いに異なるものとすると、ライトガイドを通して前方の風景を見たとき、各射出側反射面の透過率が異なるために前方の風景に輝度むらが生じてしまうという問題がある。
　また、射出側反射面を複数枚でなく１枚しか備えないライトガイドを用いた画像表示装置も知られているが、こうした装置でも、射出側反射面上において入射側反射面に近い位置で反射して観察者の眼に到達する光よりも入射側反射面から離れた位置で反射して観察者の眼に到達する光のほうが光量が減少する。これは、入射側反射面から遠いほど１枚の射出側反射面を光が通過する回数が多くなるためである。したがって、観察者が見る画像の輝度むらが発生するという問題は、射出側反射面を１枚のみ備えるライトガイドを用いた画像表示装置でも同様である。
特許第５４４７７１４号公報 特許第５２９９３９１号公報 特許第５６９８２９７号公報 米国特許第８０９８４３９号明細書
カレッド・サライエディン（Khaled Sarayeddine）、ほか３名、「モノリシック・ロー・コスト・プラスティック・ライト・ガイド・フォー・フル・カラー・シー-スルー・パーソナル・ビデオ・グラシズ（Monolithic Low Cost plastic light guide for Full colour See-Through Personal Video Glasses）」、［online］、［平成３０年３月１２日検索］、インターネット＜URL: http://optinvent.com/wp-content/uploads/2016/03/IDW2010_PRJ2_1.pdf＞ カイバン・ミルザ（Kayvan Mirza）、ほか１名、「キー・チャレンジズ・トゥー・アフォーダブル・シー・スルー・ウェラブル・ディスプレイ：ザ・ミシング・リンク・フォー・モバイル・エーアール・ディプロイメント（Key Challenges to Affordable See Through Wearable Displays: The Missing Link for Mobile AR Mass Deployment）」、［online］、［平成３０年３月１２日検索］、インターネット＜URL: http://www.optinvent.com/wp-content/uploads/2016/04/Position-Paper-AR-Glasses-V2.pdf＞
　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、ライトガイドを通して見る風景等の前方視野情報の輝度むらを抑えるとともに、観察者の眼前に虚像として形成される表示画像の輝度むらも軽減す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。
　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)表示素子の画面上に形成される画像を情報として含む画像光を発する画像形成部と、
　b)前記画像形成部からの画像光を平行光化するコリメート光学系と、
　c)透明である基板の内部又は表面に入射部と単数又は複数の部分反射部とを有し、前記コリメート光学系による平行光である画像光を前記入射部を介して前記基板の内部に導き、前記単数又は複数の部分反射部で順次、一部の画像光を反射させて該画像光を外部に射出するライトガイドと、
　を備え、前記単数の部分反射部において前記入射部から相対的に遠い位置で反射される画像光又は前記複数の部分反射部の中で前記入射部から相対的に遠い位置にある部分反射部で反射される画像光により形成される虚像の元となる画像の一部領域に対応する前記表示素子の画面上の領域の輝度を、前記単数の部分反射部において前記入射部から相対的に近い位置で反射される画像光又は前記複数の部分反射部の中で前記入射部から相対的に近い位置にある部分反射部で反射される画像光により形成される虚像の元となる画像の一部領域に対応する前記表示素子の画面上の領域の輝度に比べて高くするように、該表示素子の画面上の領域毎の輝度が定められていることを特徴としている。
　従来の一般的なこの種の画像表示装置では、画像形成部の表示素子の画面から発せられる画像光の光量はその画面内で略均一、つまり表示素子の画面上における画像の輝度は略均一である。これに対し本発明に係る画像表示装置では、表示素子の画面上の画像の輝度を均一とせず、その画像を複数に分割した領域毎に輝度を異なるものとする。具体的には、部分反射部が複数である場合には、ライトガイドの基板の内部又は表面の入射部から離れている部分反射部ほど、つまりは部分反射部を透過又は反射する回数が多い光が到達する部分反射部ほど、その部分反射部で反射される画像光により形成される画像の一部領域に対応した表示素子の画面上の領域の光量を多くする。また、部分反射部が単数である場合には、その部分反射部上でライトガイドの基板の内部又は表面の入射部から離れている位置ほど、その位置で反射される画像光により形成される画像の一部領域に対応した表示素子の画面上の領域の光量を多くする。
　ライトガイドの基板内部で画像光が部分反射部を透過又は反射する度に該画像光は減衰するが、本発明に係る画像表示装置では、最終的に虚像として表示される画像の中で伝播途中での光の減衰が大きい部分ほど、画像の生成元である表示素子の画面上での光量が多い、つまり輝度が高い。逆に、最終的に虚像として表示される画像の中で伝播途中での光の減衰が小さい部分ほど、画像の生成元である表示素子の画面上での光量は少ない、つまり輝度が低い。それによって、画像光が部分反射部を透過又は反射する回数が異なることに起因する、虚像として表示される画像での輝度の不均一性を軽減し、輝度むらの少ない虚像を観察者に提供することができる。
　また本発明において、前記複数の部分反射部の反射率は略同一である構成とするとよい。このように複数の部分反射部の反射率が略同一であれば、観察者がライトガイドを通して見る風景等の前方視野情報の輝度むらも回避することができる。
　本発明において画像形成部は様々な態様とすることができる。典型的には、画像形成部は表示素子と該表示素子の画面を照明する光源部とを含むものとすることができる。表示素子としては、透過型や反射型などの液晶表示素子、ＤＭＤ（デジタルマクロミラーデバイス）、或いは、入射したレーザ光の角度を変えるように走査されるＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）ミラーなどを用いることができる。また、光源部としてはＬＥＤやレーザなどを用いることができる。また、表示素子として有機ＥＬディスプレイなどの自己発光型の表示素子を用いる場合、別の光源部は不要（光源部は表示素子に組み込まれているとみなせる）である。
　本発明の一態様として、前記画像形成部は、前記表示素子と該表示素子の画面を２次元的に照明する光源部を含み、該光源部による照射光の光量がその照明対象である前記表示素子の画面上の領域毎に異なるように定められている構成とすることができる。
　例えば光源部が多数のＬＥＤなどの発光素子から構成される場合には、その多数の発光素子の発光光量を適宜に調整することで表示素子の画面上の領域毎の輝度を変えることができる。或いは、光源部と表示素子の間に、一部の領域の光を減衰させるフィルタなどを配置するようにしてもよい。また、表示素子としてＭＥＭＳミラーが使用され、光源部としてレーザ光が使用される場合には、そのＭＥＭＳミラーの走査に同期してレーザ光の発光光量を変化させればよい。
　いずれにしても、表示素子の画面上の領域毎に異なる照明光の光量は、ライトガイドの複数の部分反射部の反射率、基板の透過率などによって決まるから、本装置の光学設計の段階や装置を組み立てる際の調整の段階で定めることができる。もちろん、自己発光型の表示素子では、その表示素子自体の機能により表示素子の画面上の領域毎に輝度を異ならせることができる。
　なお、一般には、互いに異なる輝度が定められる前記表示素子の画面上の領域の数は前記部分反射部の数以下とすればよい。したがって、例えば部分反射部が三つである場合には、表示素子の画面を最大三分割した領域毎に異なる輝度を設定すればよい。
　本発明に係る画像表示装置によれば、ライトガイドを通して見る風景等の前方視野情報の輝度むらを抑えながら、観察者の眼前に虚像として形成される表示画像の輝度むらを軽減することができる。それにより、風景等の前方視野情報と画像表示装置による虚像の両方の視認性を高めることができる。
本発明の一実施例である画像表示装置における光学系の概略構成図。 本実施例の画像表示装置と従来の画像表示装置における、表示素子の画面上の輝度分布及び画像表示装置で観測される虚像の輝度分布の相違の説明図。 本発明の他の実施例である画像表示装置における部分的な光学系構成図。 従来の画像表示装置の一例における光学系の概略構成図。
　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４と同様に、画像の観察者を真横から見た状態の図である。また図２は本実施例の画像表示装置と図４に示した従来の画像表示装置における、表示素子の画面上の輝度分布及び画像表示装置で観測される虚像の輝度分布の相違の説明図である。
　図１に示すように、本実施例の画像表示装置１は、ライトガイド１０、光源部１１、表示素子１２、コリメート光学系１３、のほかに輝度調整部１４を備える。
　ライトガイド１０は図４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、本発明における入射部に相当する一つの入射側反射面１０１と、本発明における部分反射部に相当する複数の射出側反射面１０２ａ～１０２ｃ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～１０２ｃ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。また、射出側反射面１０２ａ～１０２ｃは同一の反射率を有する。
　表示素子１２は図４における表示素子２２と同様に透過型の液晶表示素子であり、光源部１１はバックライト光源である。この光源部１１は例えば多数のＬＥＤからなる面状光源であるが、その発光面はｙ軸方向に三つの領域１１ａ、１１ｂ、１１ｃに分割されている。図４に示した従来の画像表示装置２では、光源部２１の発光面における光量はできるだけ均一になるように構成される。これに対し本実施例の画像表示装置１では、輝度調整部１４による光量設定に基づいて、光源部１１の発光面の領域１１ａ、１１ｂ、１１ｃ毎にその光量は異なる。具体的には、図２（ａ）に示すように、表示素子１２の表示画面上の三つの領域１２ａ、１２ｂ、１２ｃの輝度が上方側で相対的に高くなるように、光源部１１の発光面の各領域１１ａ、１１ｂ、１１ｃの光量はそれぞれ設定される。
　上述したような光源部１１からの照明光を受けて表示素子１２の表示画面から発せられる画像光は、コリメート光学系１３により平行光化される。そして、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、最も下に位置する射出側反射面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～１０２ｃ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。
　画像光が射出側反射面１０２ａ、１０２ｂを通過する際に少なくとも反射した光に相当する分だけ光は減衰する。そのため、射出側反射面１０２ｂに達する画像光は射出側反射面１０２ａに達する画像光に比べてその光量が小さく、射出側反射面１０２ｃに達する画像光は射出側反射面１０２ｂに達する画像光に比べてその光量が小さい。
　射出側反射面１０２ａ～１０２ｃでそれぞれ反射された画像光はそれぞれ所定の角度で観察者の眼Ｅに入射するが、その眼前に現れる虚像である画像の中で、射出側反射面１０２ｂで反射されて観察者の眼Ｅに対しそのほぼ正面から到達する画像光は、概ね画像中央付近のｚ軸方向の帯状の領域の画像を形成する。また、射出側反射面１０２ａで反射されて観察者の眼Ｅに対してその斜め下方から到達する画像光は、概ね画像下側付近のｚ軸方向の帯状の領域の画像を形成する。また、射出側反射面１０２ｃで反射されて観察者の眼Ｅに対してその斜め上方から到達する画像光は、概ね画像上側付近のｚ軸方向の帯状の領域の画像を形成する。なお、光学設計によっては、表示素子１２の表示画面上の画像と射出側反射面１０２ａ～１０２ｃにより形成される表示画像とで画像の上下が反転する場合もある。
　射出側反射面１０２ｃで反射される画像光は表示素子１２の表示画面上の領域１２ｃ、つまりは最も輝度が高い領域から発しているが、ライトガイド１０の基板１００内部での光の減衰量は最も大きい。一方、射出側反射面１０２ａで反射される画像光は表示素子１２の表示画面上の領域１２ａ、つまりは最も輝度が低い領域から発しているが、ライトガイド１０の基板１００内部での光の減衰量は最も小さい。そのため、上述したように複数の射出側反射面１０２ａ～１０２ｃでそれぞれ反射される画像光によって形成される画像上では、到達する画像光の光量がほぼ揃うために輝度むらが殆どなくなる（図２（ａ）参照）。
　図２（ｂ）は従来の画像表示装置２における表示素子２２の表示画面上の輝度分布と観察者により観察される虚像である画像の輝度分布を示している。この場合には、ライトガイド１０の基板１００内部での光の減衰量の相違のために、観察される画像において輝度むらが生じてしまう。これに対し本実施例の画像表示装置では、上述したようにして、観察者の眼前に輝度むらが軽減された視認性の高い虚像を表示させることができる。
　また、複数の射出側反射面１０２ａ～１０２ｃの反射率（透過率）は同一であるため、ライトガイド１０を通して観察者の眼Ｅに到達する前方の風景からの光の減衰量はライトガイド１０の位置に依らず同じである。そのため、観察者の眼Ｅから見える風景等の前方視野情報の輝度むらも実質的にない。即ち、本実施例の画像表示装置では、風景等の前方視野情報と当該画像表示装置により形成される虚像のいずれについても、輝度むらのない又は少ない画像を観察者に提供することができる。
　上記実施例では、光源部１１から発する光の光量を領域１１ａ、１１ｂ、１１ｃによって変えることで、表示素子１２の表示画面における複数の部分領域の輝度を変えるようにしていたが、光源部として他の構成を採用することもできる。図３は他の実施例による画像表示装置の部分的な構成図である。この画像表示装置では、従来と同様に、光源部１１の発光面における光量は均一である。この光源部１１の発光面と表示素子１２との間に、面内での光の透過率が相違する減光フィルタ１５が配置されており、この減光フィルタ１５を光が透過することで、領域によって光量が相違する照射光が形成される。このような構成でも、図２（ａ）に示されているような表示素子１２の表示画面上での輝度分布を実現することができる。
　また、この種の画像表示装置において、画像光の生成源である、光源部１１及び表示素子１２を含む画像形成部は様々な態様を採り得る。例えば、表示素子１２としては、反射型液晶表示素子や有機ＥＬディスプレイ、或いは、ＤＭＤ（デジタルマクロミラーデバイス）、ＭＥＭＳミラーなどを用いることもできる。
　表示素子１２として透過型液晶表示素子や反射型液晶表示素子が使用される場合には、一般的なディスプレイと同様に、それら液晶表示素子自体の機能を用いて輝度を変化させることができる。また、表示素子１２として反射型液晶表示素子やＤＭＤが使用される場合には、該液晶表示素子やＤＭＤを前面側から照明する光源部の発光面における光量を領域毎に変えてもよい。また表示素子１２として有機ＥＬディスプレイなどの自己発光型の表示素子が使用される場合には、その素子自体の発光光の光量を表示画面上の領域毎に変えればよい。また表示素子１２としてＭＥＭＳミラーが使用され、光源部１１としてレーザ光源が使用される場合には、ＭＥＭＳミラーの走査に同期してレーザ光の発光光量を制御することで、表示素子１２の表示画面上の領域毎に輝度を変えることができる。
　上記実施例の画像表示装置におけるライトガイド１０の構成、具体的には本発明における入射部及び部分反射部の構成は、周知のライトガイドの構成に従って様々に変形が可能である。
　例えば、ライトガイド１０の基板１００の内部に画像光を案内する入射部としては、例えば非特許文献１に記載されているように、ライトガイド１０の基板１００の第一面１００ａの一部を第二面１００ｂに対し非平行とすることで、その非平行である面（基板１００と外界との界面）で画像光を反射させる反射面としてもよい。或いは、入射部として、非特許文献２や特許文献１～２に記載されているような反射型体積ホログラムグレーティング等のホログラム面を用いてもよい。また、ライトガイド１０の基板１００の内部から画像光を外部に射出する部分反射部として、反射型体積ホログラムグレーティング等のホログラム面を用いてもよい。また、上記実施例の画像表示装置では、部分反射部は複数であるが、部分反射部は一つのみであってもよい。
　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。
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…射出側反射面
１１…光源部
１２…表示素子
１３…コリメート光学系
１４…輝度調整部
１５…減光フィルタ
Ｅ…観察者の眼

Claims (4)

  1. 　a)表示素子の画面上に形成される画像を情報として含む画像光を発する画像形成部と、
    　b)前記画像形成部からの画像光を平行光化するコリメート光学系と、
    　c)透明である基板の内部又は表面に入射部と単数又は複数の部分反射部とを有し、前記コリメート光学系による平行光である画像光を前記入射部を介して前記基板の内部に導き、前記単数又は複数の部分反射部で順次、一部の画像光を反射させて該画像光を外部に射出するライトガイドと、
    　を備え、前記単数の部分反射部において前記入射部から相対的に遠い位置で反射される画像光又は前記複数の部分反射部の中で前記入射部から相対的に遠い位置にある部分反射部で反射される画像光により形成される虚像の元となる画像の一部領域に対応する前記表示素子の画面上の領域の輝度を、前記単数の部分反射部において前記入射部から相対的に近い位置で反射される画像光又は前記複数の部分反射部の中で前記入射部から相対的に近い位置にある部分反射部で反射される画像光により形成される虚像の元となる画像の一部領域に対応する前記表示素子の画面上の領域の輝度に比べて高くするように、該表示素子の画面上の領域毎の輝度が定められていることを特徴とする画像表示装置。
  2. 　請求項１に記載の画像表示装置であって、
    　前記複数の部分反射部の反射率は略同一であることを特徴とする画像表示装置。
  3. 　請求項２に記載の画像表示装置であって、
    　前記画像形成部は、前記表示素子と該表示素子の画面を２次元的に照明する光源部を含み、該光源部による照射光の光量がその照明対象である前記表示素子の画面上の領域毎に異なるように定められていることを特徴とする画像表示装置。
  4. 　請求項２又は３に記載の画像表示装置であって、
    　互いに異なる輝度が定められる前記表示素子の画面上の領域の数は前記部分反射部の数以下であることを特徴とする画像表示装置。
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