CN115877642A - 照明光学部以及使用该照明光学部的影像投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有兼顾光学***的小型化和高画质化的照明光学部和使用该照明光学部显示影像的影像显示部。该照明光学部对显示影像的影像显示部进行照明，该照明光学部构成为具备：光源，其发出光；透镜部，其将来自光源的发散光变换为大致准直光；以及光分支部，其用于分支为从透镜部射出的光入射并朝向影像显示部的照明光的光路以及将来自影像显示部的光朝向投射部侧的光路，光分支部具有射出照明光的2个以上的射出反射面。

Description

照明光学部以及使用该照明光学部的影像投影装置

技术领域

本发明涉及具有用于显示影像的照明光学部和使用该照明光学部显示影像的影像显示部的影像投影装置。

背景技术

投影仪、头戴式显示器(以下，也简称为HMD)这样的影像投影装置不仅要求影像的视觉确认性这样的显示性能，还要求小型且便携性、佩戴性优异的构造。

作为本技术领域中的现有技术文献，有专利文献1。在专利文献1中公开了一种投影仪，其结构的特征在于，具备：光源，其射出光；分离单元，其使来自所述光源的射出光中的具有特定偏振分量的一个光透射，将具有与所述特定偏振分量正交的偏振分量的其他光朝向投影用光学***反射；图像形成单元，其是利用所述一个光的液晶元件，对入射的所述一个光进行调制并反射，作为投影光而射出；反射单元，其使入射到所述分离单元并反射的所述投影光的偏振方向旋转，朝向所述投影用光学***射出；以及反射型偏振板，其对由所述反射单元射出的投影光进行检光，并且对由所述分离单元反射的其他光进行反射而返回到所述光源。

在专利文献1中，影像投影装置的光学***由影像生成部构成，该影像生成部具有：照明部，其将光源部发出的光向影像显示部传递；以及投射部，其投射由影像显示部生成的影像光。在照明部中通过分别独立的光学部件安装有发出光的光源部、混合来自各光源的光的混色部、用于以均匀的亮度对小型显示器进行照明的亮度均匀化部、用于向投射部切换光路的光分支部、用于使亮度均匀化的单元等用于实现高画质的影像显示的各种功能。因此，存在装置的尺寸大型化的问题。

即，在专利文献1中，在兼顾影像投影装置的显示影像的高画质化和光学***的小型化的方面，没有考虑这些问题。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2009-265549号公报

发明内容

本发明的目的在于提供一种影像投影装置，该影像投影装置具有兼顾光学***的小型化和高画质化的照明光学部以及使用该照明光学部显示影像的影像显示部。

若列举其一例，则本发明是对显示影像的影像显示部进行照明的照明光学部，照明光学部构成为具备：光源，其发出光；透镜部，其将来自光源的发散光变换为大致准直光；以及光分支部，其用于分支为从透镜部射出的光入射并朝向影像显示部的照明光的光路以及将来自影像显示部的光朝向投射部侧的光路，光分支部具有射出照明光的2个以上的出射反射面。

根据本发明，能够提供一种影像投影装置，该影像投影装置具有兼顾光学***的小型化和高画质化的照明光学部以及使用该照明光学部显示影像的影像显示部。

附图说明

图1是实施例1中的影像投影装置的功能模块结构图。

图2是表示实施例1中的作为HMD的影像投影装置的硬件结构的一例的模块结构图。

图3A是实施例1中的搭载于HMD的影像生成部的模块结构图。

图3B是实施例1中的搭载于投影仪的影像生成部的模块结构图。

图4A是表示实施例1中的HMD的使用方式的图。

图4B是图4A中的影像生成部的放大图。

图5是以往的影像生成部的结构图。

图6是实施例1中的影像生成部的结构图。

图7A是实施例1中的影像生成部的变形例的结构图。

图7B是实施例1中的影像生成部的变形例的结构图。

图7C是实施例1中的影像生成部的变形例的结构图。

图7D是实施例1中的影像生成部的变形例的结构图。

图8是实施例2中的搭载有透射型液晶面板的影像生成部的结构图。

图9是实施例2中的搭载有DMD面板的影像生成部的结构图。

图10是表示实施例3中的HMD的使用例的图。

图11是实施例3中的HMD的功能模块结构图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施例进行说明。

[实施例1]

图1是本实施例中的影像投影装置的功能模块结构图。在图1中，影像投影装置1是HMD、投影仪，具有影像生成部101、控制部102、图像信号处理部103、电力供给部104、存储部105、感测部106、通信部107、声音处理部108、拍摄部109以及输入输出部91～93。

影像生成部101对由后述的小型显示器部生成的影像进行放大投射，显示影像。例如，如果影像投影装置1是HMD，则影像生成部101将由小型显示器部生成的影像作为虚像进行放大投射，在佩戴者(用户)的视野中显示增强现实(AR：Augmented Reality)、混合现实(MR：Mixed Reality)的影像。

控制部102统一控制影像投影装置1整体。控制部102通过CPU等运算装置来实现其功能。图像信号处理部103对影像生成部101内的显示部供给显示用的影像信号。电力供给部104对影像投影装置1的各部供给电力。

存储部105存储影像投影装置1的各部的处理所需的信息、由影像投影装置1的各部生成的信息。另外，在通过CPU实现控制部102的功能的情况下，存储CPU执行的程序、数据。存储部105例如由RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、闪存、HDD(Hard DiskDrive：硬盘驱动器)、SSD(Solid State Drive：固态驱动器)等存储设备构成。

感测部106经由作为连接器的输入输出部91与各种传感器连接，基于由各种传感器检测出的信号，检测出影像投影装置1的姿势、即用户的姿势、用户的头的朝向、投影仪的倾斜、动作、周围温度等。作为各种传感器，例如连接有倾斜传感器、加速度传感器、温度传感器、检测用户的位置信息的GPS(Global Positioning System：全球定位***)的传感器等。

通信部107经由作为连接器的输入输出部92，通过近距离无线通信、远距离无线通信或有线通信，与外部的信息处理装置进行通信。具体而言，通过蓝牙(Bluetooth，注册商标)、Wi-Fi(注册商标)、移动通信网络、通用串行总线(USB、注册商标)、高精细度多媒体接口(HDMI(注册商标))等进行通信。

声音处理部108经由作为连接器的输入输出部93与麦克风、耳机、扬声器等声音输入输出装置连接，进行声音信号的输入或输出。拍摄部109例如是小型照相机、小型TOF(Time Of Flight：飞行时间)传感器，拍摄影像投影装置1的用户的视野方向。

图2是表示作为HMD的影像投影装置1的硬件结构的一例的模块结构图。如图2所示，影像投影装置1构成为具有CPU201、***总线202、ROM(Read Only Memory：只读存储器)203、RAM204、存储装置210、通信处理器220、电力供给器230、视频处理器240、音频处理器250以及传感器260。

CPU201是控制影像投影装置1整体的微处理器单元。CPU201对应于图1中的控制部102。***总线202是用于在CPU201与影像投影装置1内的各动作模块之间收发数据的数据通信路径。

ROM203是存储操作***等基本动作程序、其他动作程序的存储器，例如能够使用EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory：电可擦可编程只读存储器)、闪存ROM这样的可改写的ROM。

RAM204是基本动作程序、其他动作程序执行时的工作区域。ROM203和RAM204可以是与CPU201一体的结构。另外，ROM203也可以不是图2所示那样的独立结构，而是使用存储装置210内的一部分存储区域。

存储装置210存储影像投影装置1的动作程序、动作设定值、使用影像投影装置1的用户的个人信息210a等。以下虽然没有特别例示，但也可以存储从网络上下载的动作程序、该动作程序生成的各种数据。另外，存储装置210的一部分存储区域也可以由ROM203的功能的一部分或全部代替。存储装置210例如可以使用闪存ROM、SSD、HDD等设备。ROM203、RAM204、存储装置210对应于存储部105。此外，存储在ROM203、存储装置210中的上述动作程序能够通过从网络上的各装置执行下载处理来进行更新和功能扩展。

通信处理器220构成为具有LAN(Local Area Network：局域网)通信器221、电话网通信器222、NFC(Near Field Communication：近场通信)通信器223、蓝牙通信器224。通信处理器220对应于图1中的通信部107。在图2中例示了通信处理器220中包含LAN通信器221、NFC通信器223、蓝牙通信器224的情况，但也可以如图1中说明的那样，这些通信器经由输入输出部92作为影像投影装置1外部的设备而连接。LAN通信器221经由接入点与网络连接，在与网络上的装置之间收发数据。NFC通信器223在对应的读写器接近时进行无线通信来收发数据。蓝牙通信器224与接近的信息处理装置进行无线通信来收发数据。此外，影像投影装置1也可以具有在与移动电话通信网的基站之间收发通话以及数据的电话网通信器222。

虚像影像生成机构225对应于图1中的影像生成部101。关于虚像影像生成机构225的具体结构，使用图3A在后面叙述。

电力供给器230是以预定的规格向影像投影装置1供给电力的电源设备。电力供给器230对应于图1中的电力供给部104。在图2中例示了在影像投影装置1中包含电力供给器230的情况，但这些电力供给器也可以经由输入输出部91～93中的任一个而作为影像投影装置1的外部设备连接，影像投影装置1从该外部设备接受电源的供给。

视频处理器240构成为具有显示器241、图像信号处理器242和照相机243。图像信号处理器242对应于图1中的图像信号处理部103。此外，照相机243对应于图1中的拍摄部109，显示器241对应于后述的小型显示器部。在图2中例示了在视频处理器240中包含显示器241和照相机243的情况，但如在图1中说明的那样，它们也可以经由输入输出部(例如输入输出部93)作为影像投影装置1的外部设备而连接。

显示器241显示由图像信号处理器242处理的图像数据。

图像信号处理器242使显示器241显示所输入的图像数据。照相机243是作为拍摄装置发挥功能的照相机单元，该拍摄装置使用CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合器件)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)传感器等电子器件将从透镜输入的光变换为电信号，从而输入周围、对象物的图像数据。

音频处理器250构成为具有扬声器251、声音信号处理器252和麦克风253。音频处理器250对应于图1中的声音处理部108。在图2中例示了在音频处理器250中包含扬声器251和麦克风253的情况，但如在图1中说明的那样，它们也可以经由输入输出部93作为影像投影装置1的外部设备而连接。

扬声器251输出由声音信号处理器252处理后的声音信号。声音信号处理器252将被输入的声音数据输出到扬声器251。麦克风253将声音变换为声音数据，并输出到声音信号处理器252。

传感器260是用于检测影像投影装置1的状态的传感器组，构成为具有GPS接收机261、陀螺仪传感器262、地磁传感器263、加速度传感器264、照度传感器265以及接近传感器266。传感器260对应于感测部106。在图2中例示了在传感器260中包含GPS接收机261、陀螺仪传感器262、地磁传感器263、加速度传感器264、照度传感器265、接近传感器266的情况，但也可以如图1中说明的那样，这些传感器经由输入输出部91作为影像投影装置1的外部设备而连接。这些各传感器是以往已知的一般的传感器组，因此在此省略其说明。另外，图2所示的影像投影装置1的结构只不过是一个例子，也可以不必具备它们的全部。

图3A是搭载于HMD的影像生成部101的模块结构图。影像生成部101由照明光学部120、影像显示部121、投射部122、导光部123构成。

照明光学部120将来自LED、激光器等光源的光照射到作为小型显示器部的影像显示部121。影像显示部121是用于显示影像的元件，使用液晶显示器、数字微镜器件、有机EL显示器、微型LED显示器、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电***)、光纤扫描器件等。投射部122是将影像显示部121的影像光放大并作为虚像进行投射的装置。导光部123是导光板，为了放大眼盒而进行影像光的复制，并且将来自投射部122的影像光传递到用户的瞳孔20。用户能够通过使影像光成像于瞳孔20内的视网膜来视觉确认影像。

图3B是搭载于投影仪的影像生成部101的模块结构图。在图3B中，与图3A不同的点在于是不具有导光部123的结构，影像生成部101由照明光学部120、影像显示部121、投射部122构成，投射部122将影像显示部121的影像光放大，投射到位于外部的屏幕124。

图4A、图4B是表示本实施例中的HMD10的使用方式的图。图4A表示从用户2的头上方俯视的状态，X轴是水平方向，Y轴是垂直方向，Z轴是作为用户2的视线方向的视轴方向。在以后的附图中，也同样地定义X、Y、Z轴的方向。图4B是图4A中的影像生成部101的放大图。

如图4A所示，HMD10佩戴于用户2的头部，使由照明光学部120、影像显示部121和投射部122生成的影像经由导光部123传播到用户的瞳孔20。此时，用户2能够在视野内的一部分影像显示区域111中以能够视觉确认外界的状态(透视型)视觉确认影像(虚像)。另外，在图4A中示出了对双眼显示影像的结构，但也可以是单眼的结构。此外，HMD10还能够在图1的拍摄部109中拍摄用户2的视野范围。

从影像的视觉确认性的观点出发，由影像生成部101形成的眼盒优选在2维方向上放大。为了进行高画质化和亮度提高，当向照明光学部120、影像显示部121和投射部122推进功能安装时，光学部件的数量增加，并且装置变得大型化。

如图4A所示，根据HMD作为佩戴在身上而使用的装置的特性，在重量、佩戴性、外观的设计性这一点上，能够以与以往的眼镜同样的使用感来进行增强现实显示是重要的要素，在提高商品价值方面成为重要的要点。

另外，如图4B所示，导光部123是具有大致平行的平板状的2个主面191、192的导光板，并且为了扩大眼盒而在内部具有至少2个以上的作为部分反射面的出射反射面126。导光部123具有如下功能：通过全反射传播从投射部122输出的影像光，通过具有反射影像光的一部分的反射膜的出射反射面126，复制投射部122的影像光。另外，为了使反射影像光不产生角度偏移，优选出射反射面126相互大致平行。

通过导光部123的影像光传递功能，照明光学部120、影像显示部121、投射部122能够配置在视野的外侧，另外，通过降低出射反射面126的反射率，能够兼顾周围的透视性和影像的视觉确认。

例如，在影像显示部121使用了有机EL、微型LED等自发光面板的情况下，不需要照明光学部120，能够期待影像生成部101的小型化。但是，搭载微小的发光像素的自发光面板在发光效率的大幅提高方面存在极限，另外，从确保透视性的观点出发，导光部123无法将出射反射面126的反射率设定得较高，因此在影像光的利用效率上产生折衷的关系。因此，对搭载有导光部123的影像生成部要求高亮度的影像输出，在将影像显示部121设为自发光面板的情况下，存在当前的设备性能下在室外能够视觉确认的影像亮度大幅不足的课题。

即使在投影仪的情况下，在影像显示部121中使用了自发光面板时，也不需要照明光学部120，并且能够期待影像生成部101的尺寸减小。将影像放大投影到屏幕上的投影仪也对影像显示部要求较高的光输出。但是，搭载微小的发光像素的自发光面板在发光效率的大幅提高方面存在极限，在将影像显示部121设为自发光面板的情况下，存在当前的设备性能下无法得到充分的影像亮度这样的课题。

这样，在投影仪、HMD中，在兼顾照明***的小型化和高亮度化方面存在课题。以下，对这些课题的解决方法进行说明。

图5是现有的影像生成部的结构图。影像生成部由照明光学部120、影像显示部121、投射部122构成。照明光学部120将来自LED、激光等光源的光照射到影像显示部121。影像显示部121是用于显示影像的微型显示器，使用液晶显示器、数字微镜器件等。投射部122将影像显示部121的影像光放大，作为虚像进行投射。

在照明光学部120中，作为光源部具备绿色(G)的光源140和红色(R)以及蓝色(B)的光源141。来自各光源的光被聚光透镜142、143大致准直化。来自各色光源的大致准直光通过颜色合成部144而合成。

在图5中示出了在颜色合成部144中使用楔形的分色镜的例子。分色镜将R光、B光和G光的大致准直光合成并射出。此时，各颜色的光轴不一定需要完全一致，也可以在预定的面上使光轴稍微错开，以使强度分布大致一致。

颜色合成后的光入射到成为虚拟的2次光源的微透镜阵列130。微透镜阵列130被从颜色合成部144射出的大致准直光束照明。通过使用作为亮度均匀化单元的微透镜阵列130，能够使光仅集中于影像显示部121的微型显示器的预定的范围。另外，具有能够使影像显示部121上的照明光的亮度分布均匀化且高画质化的优点。

作为聚光光学部件的聚光透镜131使微透镜阵列130的单元像成像到影像显示部121。

在影像显示部121使用LCOS(Liquid Crystal On Silicon，注册商标)等的情况下，具备朝向影像显示部121的去路光路和用于将来自影像显示部121的光向投射部侧的投射光路引导的光分支部132。光分支部132将向照明光学部120和投射部122的光路切开。投射部122将影像显示部121的影像投射为无限远或虚像。来自投射部122的影像光入射到导光部123，用户能够在确保了透视性的状态下视觉确认影像。

在通过上述光学***视觉确认影像的情况下，由微透镜阵列130复制的光源140以及141的共轭像形成于微透镜阵列130的出射面。另外，微透镜阵列130的出射面与投射部122的出射光瞳处于大致共轭的位置关系。因此，在投射部122的出射光瞳位置122p，形成有在微透镜阵列130的出射面形成的上述光源140以及141的共轭像和微透镜阵列130自身的微透镜单元出射面的共轭像。因此，当用户隔着导光板观看影像时，在影像的近前看起来微透镜单元的共轭像与光源的共轭像重叠，影像的视觉确认性降低。

另外，由于导光板具有为了扩大眼盒而复制投射部122的出射光瞳的功能，所以如果复制次数多，则各共轭像有时会反复重合而变得不显眼。另一方面，在使用了分束器反射镜阵列型的导光板的情况下，与其他方式相比，原理上复制次数变少，由于上述共轭像，影像的视觉确认性大幅降低。

因此，作为抑制微透镜单元与光源的共轭像的视觉确认性的结构，在照明光学部120的聚光透镜131的附近设置有作为使来自微透镜阵列130的光扩散而使亮度均匀化的亮度均匀化单元的扩散板133。通过设置扩散板133，能够使微透镜单元与光源的共轭像模糊而不显眼。此时，通过将扩散板133配置在比影像显示部121靠前的位置，能够不对投射部122产生的影像显示部121的放大像(虚像)的分辨率造成影响。这样，在使用了导光板的HMD10中，存在产生共轭像这样的课题，能够通过设置扩散板133来抑制该情况。

如上所述，即使在以往的影像生成部中，在照明光学部120中，通过各自独立的光学部件安装有通过透镜对来自光源的光进行准直的功能、通过分色镜对来自各光源的准直光进行混色的功能、由微透镜阵列和聚光透镜构成的亮度分布的均匀化功能、基于偏振光的光路的分支功能这样的各种功能，因此存在尺寸大型化这样的课题。

因此，如果能够提供具有照明光学部120的多个功能的光学部件，则能够实现小型化。

图6表示本实施例中的影像生成部101的结构。在图5中示出了光源140射出绿色的光、光源141将射出红色和蓝色的光的2色安装在同一封装内的光源，但图6中的光源150示出了将3色的光源集成在同一封装内的例子。即，光源150是将射出红、绿、蓝波段的光的红芯片、绿芯片、蓝芯片搭载于1个壳体内的多芯片光源。

并且，在图6中，为了使照明光学部小型化，搭载提高混色性和均匀性的小型的光学积分器151。光学积分器151呈类似于四棱柱或圆柱的形状，其内部被预定的透明度高的介质A充满。另外，光学积分器151具有入射面152、出射面153和侧面。入射面152、出射面153分别是光入射的面、射出的面。根据斯涅尔定律，已知大于临界角的光线不能从折射率高的介质向折射率低的介质行进而进行全反射(Total Internal Reflection，以下记为TIR)。因此，光学积分器151的侧面是具有将从入射面152入射的光封闭在TIR中的功能的面。

从光学积分器151射出的光成为发散光，因此通过聚光透镜142以及143而变换为大致准直光。通过使用光学积分器151，能够在封闭光的同时进行扩散，能够在有限的空间内将来自多芯片光源的光高效地混色并均匀化，能够提供小型且高效率的影像生成部101的照明光学部120。

此外，也可以在光学积分器151的内部随机地填充由折射率与介质A不同的透明度高的介质B充满的散射粒子154。根据上述斯涅尔定律，光线在通过折射率不同的介质时以与入射的角度不同的角度射出。散射粒子154使用该原理，具有通过使行进的光线的角度变更而使光散射的功能。散射粒子也可以是球状或其他形状。通过包含散射粒子，即使在更短长度的光学积分器中也能够高效地实现光的混色、均匀化。

从聚光透镜142及143射出的光向导光板型的光分支部132W入射。光分支部132W在内部具备：大致平行的平板装的1组主面155、156，其通过成为内部反射的全反射来封闭照明光；以及出射反射面组157，其包含将照明光向光分支部外射出的2个以上的出射反射面。另外，也可以具有将照明光向光分支部132W的内部反射的入射反射面158。

在图6中例示了内部反射是基于2个平行平面的全反射的情况。但是，也可以不一定是全反射，例如，也可以使用在构成这些平行平面的导光板的平行平面的一部分或全部粘贴使光透射或反射的材质的薄膜等而具有产生正反射、扩散反射的平行平面的导光板。

光分支部132W需要无遗漏地对影像显示部121的有效区域进行照明或向投射侧进行影像传递。因此，如图5所示，现有的光分支部132需要设置比影像显示部121的有效区域大的尺寸的反射面132R，尺寸变得大型化。本实施例的光分支部132W在将出射反射面组157的相邻的出射反射面的间隔设为L1，在影像显示部121的有效区域中将出射反射面的排列方向的边的长度设为LA时，设为LA＞L1，配置具有比影像显示部121的有效区域小的间隔的多个出射反射面。由此，能够减小每1个出射反射面的厚度，因此作为整体使光分支部132W的厚度薄型化。

另外，显示影像的画面纵横比与纵横相同比率的1∶1相比，一般为16∶9或4∶3。因此，影像显示部121的有效区域也具有纵横比，有效区域的短边方向与光分支部132W的出射反射面组157的排列出射反射面的方向大致平行，由此能够减少所需的出射反射面的配置张数，能够实现低成本化。

例如，在影像显示部121使用了液晶的微型显示器的情况下，通过使照明光的偏振方向在微型显示器的各像素中旋转来切换像素的打开/关闭(ON/OFF)。因此，光分支部132W优选形成于出射反射面组157的出射反射面的反射膜为偏振性的反射膜。

例如，考虑S偏振光的照明光被出射反射面组157反射而对影像显示部121进行照明的情况。在影像显示部121是使用了液晶的微型显示器的情况下，在成为打开(ON)的像素中，偏振方向例如旋转90°，P偏振光的光从影像显示部121入射到出射反射面组157。由于出射反射面组157具有偏振性，因此使P偏振光透射而引导至投射部122，经由投射部122投影打开的像素，由此用户视觉确认打开像素。

在此，在采用出射反射面组157的反射特性大致100％地反射S偏振光、大致100％地透射P偏振光那样的一般的偏振光分束器的情况下，所有的光在最接近入射到光分支部132W的入射部的出射反射面组157的出射反射面反射，难以将影像显示部121的有效区域全部照亮。因此，在该情况下，出射反射面组157反射一部分S偏振光，作为一部分S偏振光和P偏振光透射的部分反射面的组，部分反射面排列成阵列状。

并且，本实施例中的光分支部132W的出射反射面组157由2个以上的出射反射面构成，因此光在元件内行进的光在每次经过出射反射面时逐渐反射，一边减少光量一边在内部行进。因此，若出射反射面组157的反射率全部相同，则对影像显示部121进行照明的光量在区域内变得不均匀。因此，作为一例，出射反射面组157的各出射反射面的反射率构成为越远离向光分支部132W入射的入射部则越提高反射率，由此能够提高照明光的均匀性。另外，在出射反射面组157为具有偏振性的反射膜的情况下，各出射反射面的反射率构成为越远离向光分支部132W入射的入射部则越提高S偏振光反射率，由此能够提高照明光的均匀性。因此，在光利用效率的观点方面，从光利用效率的观点出发距离向光分支部132W入射的入射部远的出射反射面的S偏振光反射率优选大致为100％。

若将出射反射面组157的部分反射面的反射率设定得较低，则影像显示部121的有效区域内的照明光的亮度均匀性提高，但光利用效率降低。另一方面，若提高反射率，则光利用效率提高，但如上所述，照明光的亮度均匀性降低。因此，从光利用效率和亮度均匀性的观点出发，出射反射面组157的部分反射面的S偏振光反射率优选为5％～60％之间。

另一方面，如果将出射反射面组157的反射率抑制得较低，则即使反射率全部相同，也就是说，即使在各个部分反射面使用相同的反射膜，也不会成为较大的亮度不均的主要原因。相反，由于能够在同一成膜工序中对各个部分反射面进行加工，因此能够实现制造成本的降低。另外，从确保亮度均匀性和透视性这两者的观点出发，出射反射面组157的反射率优选为10％以下。

另外，若将影像显示部121和光分支部132W的配置配置在非常接近投射部122的位置，则存在光分支部132W的出射反射面组157的出射反射面边界部也被从投射部122投射的影像视觉确认的情况。因此，考虑投射透镜的焦点深度，在影像显示部121与光分支部132W之间需要预定的间隔。在作者的研究中，若考虑一般的小型投影仪、HMD所使用的投射部的焦点深度，则优选光分支部132W的显示部侧的主面155与影像显示部121具有1mm以上的间隔。

另外，从制造性的观点出发，优选光分支部132W的出射反射面组157相互平行。即，优选出射反射面组157的部分反射面(出射反射面)相互平行。这是因为，通过将形成有部分反射面的平行平板层叠多个并粘接一体化，将其切成预定的形状，能够将从入射面到出射反射面一并加工，而且能够切出多枚光分支部132W。因此，通过使光分支部132W的出射反射面组157的部分反射面(出射反射面)相互平行，具有能够简化制造工艺并能够降低制造成本的优点。

光分支部132W的出射反射面组157在相邻的出射反射面间存在重叠(overlap)时，重叠部分的亮度变高，照明光的亮度均匀性降低。另一方面，在相邻的出射反射面之间存在间隙的情况下，间隙部的亮度降低，亮度均匀性降低。因此，在将光分支部132W的厚度设为t，将出射反射面的角度设为θ时，通过将与出射反射面的间隔L1的关系设为t/tanθ≈L1，能够提高亮度均匀性。

这样，以往的没有全反射封闭功能的光分支部132为了防止在其侧面产生杂散光，存在外形变大的问题，但本实施例的光分支部132W通过全反射进行影像光的封闭，因此具有能够降低元件的尺寸，并且能够使照明光和投射光分支的优点。

接着，对本实施例中提高对比度的方法进行说明。如上所述，例如考虑S偏振光的照明光被出射反射面组157反射而对影像显示部121进行照明的情况。在影像显示部121是使用了液晶的微型显示器的情况下，在成为打开的像素中偏振方向旋转，P偏振光的光从影像显示部121入射到出射反射面组157。由于出射反射面组157具有偏振性，因此使P偏振光透射而引导至投射部122，经由投射部122投影打开的像素，由此用户视觉确认打开像素。另一方面，在关闭的情况下，偏振方向不变化，S偏振光的光从影像显示部121返回到出射反射面组157。此时，关闭光是S偏振光，出射反射面组157具有反射S偏振光的一部分的光量的反射率特性，但如上所述，没有成为反射大致100％的特性。因此，S偏振光的关闭也存在透射出射反射面组157并经由投射部122被用户视觉确认的课题。本来没有光量而应该显示为黑色的像素具有光量，投影所谓的黑色浮动的对比度低的影像。

因此，为了改善对比度，可以在光分支部132W与投射部122之间配置吸收或反射预定方向的偏振光的偏振滤光片160。通过偏振滤光片仅吸收例如与上述的关闭光相当的S偏振光的光，从而能够大幅改善投影影像的对比度。另外，偏振滤光片160虽未特别图示，但只要是从光分支部132W到投射部122侧，则可以配置在任意位置，也可以配置在投射部122的射出侧或投射部122内。

在图6所示的结构中，从光学积分器151射出的光成为发散光，因此通过聚光透镜142以及143变换为大致准直光。根据聚光透镜142、143与投射部122的关系，光学积分器151的出射面153的共轭像产生于处于大致共轭的位置关系的投射部122的出射光瞳位置122p。因此，当用户隔着导光板观看影像时，看起来像在影像的近前重叠有光学积分器151的出射面153的共轭像，影像的视觉确认性降低。

而且，如上所述，导光板具有复制投射部122的出射光瞳以扩大眼盒的功能。因此，特别是在使用了分束器反射镜阵列型的导光板的情况下，上述共轭像被导光板复制，影像的视觉确认性大幅降低。

因此，构成为在聚光透镜142、143与光分支部132W之间设置扩散板161作为亮度均匀化单元。通过扩散板161使光扩散，能够使光学积分器151的出射面153的共轭像的轮廓模糊，使视觉确认性降低，实现高画质化。另一方面，扩散板161不影响投射侧，因此不会使输出影像的分辨率劣化。

另外，在光源部使用廉价的LED元件的情况较多，在该情况下，输出的光成为非偏振的光。为了提高对比度，如上所述，偏振的切分是重要的，通过对出射反射面组157仅入射S偏振的照明光，能够进一步提高作为光学***整体的效率。例如，通过在与上述的扩散板161相同的位置搭载偏振滤光片162，使向光分支部132W入射的照明光的偏振方向向预定的方向一致，由此能够改善显示影像的对比度。

扩散板161具有通过散射而扰乱照明光的偏振方向的作用，照明侧的偏振滤光片162配置在照明光透射扩散板161之后，能够提高偏振的均匀性而得到对比度提高效果。因此，优选在光分支部132W与扩散板161之间配置偏振滤光片162。

图7A～图7D是本实施例中的具备光分支部132W的影像生成部101的变形例。图7A与图6的不同之处在于光学积分器151的结构。在图7A中，光学积分器151将不包含散射粒子的透明的光学介质即透明层和包含散射粒子154的散射层一体化。来自光源150的入射光在光学积分器151内散射，但散射不仅向前方散射，还向后方散射，因此若在接近入射面152的区域存在散射粒子，则由于后方散射而产生大量向发光部的方向返回的光，光利用效率降低。因此，入射面152侧作为不含散射粒子的透明的光学介质即透明层，仅通过内表面的全反射进行混色，在出射面侧设置散射粒子而在即将射出之前进行大的扩散(混色)，由此能够提供兼顾光利用效率和小型化的光学积分器151。

图7B表示图6中的光学积分器151的出射面153的形状为凸形状的变形例。在图6所示的结构中，从光学积分器151射出的光成为发散光，因此通过聚光透镜142以及143变换为大致准直光，但为了得到充分的准直光，需要排列2片左右的凸透镜，使尺寸大型化。因此，如图7B所示，通过将光学积分器151的出射面设为凸形状，使1片准直透镜和光学积分器一体化，抑制射出光的发散程度，从而能够使聚光透镜1片化，使装置小型化。

图7C是表示图6中的光分支部132W的变形例的结构图。在图6中，光分支部132W使用入射反射面158向元件内进行光的输入。因此，从光利用效率的观点出发，优选输入光束直径和入射反射面尺寸为同等的大小，但若扩大入射反射面158的反射面尺寸，则光分支部132W整体的厚度增加，存在难以确保充分的反射面尺寸的课题。因此，图7C的光分支部132W构成为，不使用入射反射面158，从聚光透镜143射出的照明光经由光路校正棱镜163透射光分支部132W的主面156而输入。输入到光分支部132W内的照明光被另一个主面155反射而被封闭在光分支部132W内。由于主面155具有足够的尺寸，因此具有能够减少与光分支部132W耦合时的损失并且使光分支部132W薄型化的优点。

至此，对在光分支部132W使用了出射反射面组的结构进行了说明，但也可以采用通过不同的方式实现出射反射面组157的功能的结构。例如，也可以使用偏振性的衍射光栅、偏振性的体积全息图。形成衍射光栅、体积全息图，使在元件内传播的照明光的一部分向影像显示部121偏转，由此进行照明。

图7D是表示影像生成部101的变形例的结构图。在光源部使用单色的光源的情况下、安装于光源部的红蓝绿等各色的LED、激光发光部小且非常接近地配置的情况下，即使不使用图6中的光学积分器，也能够在光分支部132W中的全反射中进行混色。因此，如图7D所示，通过构成为利用聚光透镜142、143使从光源150发出的光作为大致准直光入射到光分支部132W，能够使装置小型化。

在图7D所示的结构中，根据光源150、聚光透镜142、143和投射部122的关系，光源150的共轭像产生于处于大致共轭的位置关系的投射部122的出射光瞳位置122p。因此，当用户隔着导光板观看影像时，看起来像在影像的近前重叠有光源150的共轭像，影像的视觉确认性降低。

而且，如上所述，导光板具有复制投射部122的出射光瞳以扩大眼盒的功能。因此，特别是在使用了分束器反射镜阵列型的导光板的情况下，上述共轭像被导光板复制，影像的视觉确认性大幅降低。

因此，与此前同样地，构成为在聚光透镜142、143与光分支部132W之间设置扩散板161作为亮度均匀化单元。通过扩散板使光扩散，能够使光学积分器151的出射面153的共轭像的轮廓模糊，使视觉确认性降低，实现高画质化。另一方面，扩散板161不影响投射侧，因此不会使输出影像的分辨率劣化。另外，如上所述，也可以在光分支部132W与扩散板161之间配置偏振滤光片162。

以上，根据本实施例所示的结构，能够提供具有兼顾光学***的小型化和高画质化的照明光学部、以及使用该照明光学部显示影像的影像显示部的影像投影装置。

[实施例2]

图8是本实施例中的影像显示部121使用透射型的液晶面板的情况下的影像生成部101的结构概略图。来自影像生成部101内的光源150的光在光学积分器151中混色及均匀化后，通过聚光透镜142及143成为大致准直光。在影像显示部121使用透射型的液晶面板的情况下，不需要搭载光分支部，通过利用聚光透镜142以及143而成为大致准直光的光，对影像显示部121进行照明。透射了影像显示部121的光仅变换打开的像素的偏振方向，透过配合影像显示部121而搭载的偏振滤光片160，经由投射部122投影为影像。

在本实施例的影像生成部101的结构中，也根据聚光透镜142、143与投射部122的关系，光学积分器151的出射面153的共轭像产生于处于大致共轭的位置关系的投射部122的出射光瞳位置122p。因此，在将本光学***应用于HMD的情况下，用户看起来像在影像显示部121的虚像影像的近前重叠有光学积分器151的出射面153的共轭像，影像的视觉确认性降低。而且，如上所述，在使用了导光板的HMD的情况下，导光板具有复制投射部122的出射光瞳以扩大眼盒的功能。因此，特别是在使用分束器反射镜阵列型的导光板的情况下，上述共轭像被导光板复制，影像的视觉确认性进一步大幅降低。

因此，配置作为亮度均匀化单元的扩散板161，该亮度均匀化单元用于不影响影像的分辨率而仅使共轭像模糊来降低视觉确认性。通过将扩散板161尽可能地配置在远离光学积分器151的出射面153的位置，能够利用扩散角小的扩散板得到共轭像的视觉确认性降低效果而实现高画质化，由于扩散角小，具有能够抑制光利用效率的劣化的优点。因此，通过在聚光透镜143与影像显示部121之间配置扩散板161，能够兼顾光利用效率和视觉确认性的改善。

另外，为了提高对比度，也可以将仅使预定的偏振方向透射的偏振滤光片162配置在照明侧，由于偏振被扩散板161扰乱，因此通过在扩散板161之后配置偏振滤光片162，能够得到对比度提高效果。

同样地，通过在影像显示部121与投射部122之间也配置仅使预定的偏振方向透射的偏振滤光片160，能够提高由投射部122投射的影像的对比度。

图9是在影像显示部121使用了数字微镜器件(DMD)面板的情况下的影像生成部101的结构概略图。从影像生成部101内的光源150发出的光被光学积分器151混色和均匀化。在根据反射镜的角度改变光的反射角度来表现像素的打开/关闭(ON/OFF)的DMD面板中，需要使照明光相对于面板倾斜地入射。此时，在照明光学***中还需要进行斜入射引起的像差校正的棱镜。因此，需要对来自光学积分器151的光进行准直的透镜***和像差校正棱镜，尺寸变得大型化。因此，在图9中，设有聚光透镜142和使后级的聚光透镜与像差校正的棱镜一体化的凹面复合棱镜170。通过聚光透镜142和凹面复合棱镜170校正了准直光化和由斜入射引起的像差的照明光经由光分支部132对影像显示部121进行照明。

在根据反射镜的角度改变光的反射角度来表现像素的打开/关闭的DMD面板中，打开的光的光线角度被变换，成为在光分支部132的反射面171全反射的角度而从DMD面板输出。由光分支部132的反射面171进行了内部全反射的影像光经由投射部122作为影像被投影。

在使用了DMD面板的影像生成部101的结构中，也根据聚光透镜142、凹面复合棱镜170与投射部122的关系，光学积分器151的出射面153的共轭像产生于处于大致共轭的位置关系的投射部122的出射光瞳位置122p。因此，在将本光学***应用于HMD的情况下，用户看起来像在影像显示部121的虚像影像的近前重叠有光学积分器151的出射面153的共轭像，影像的视觉确认性降低。而且，如上所述，在使用了导光板的HMD的情况下，导光板具有复制投射部122的出射光瞳以扩大眼盒的功能。因此，特别是在使用分束器反射镜阵列型的导光板的情况下，上述共轭像被导光板复制，影像的视觉确认性进一步大幅降低。

因此，为了不影响影像的分辨率而仅使共轭像模糊来使视觉确认性降低，配置作为亮度均匀化单元的扩散板161。通过将扩散板161尽可能地配置在远离光学积分器151的出射面153的位置，具有如下优点：能够利用扩散角小的扩散板得到共轭像的视觉确认性降低效果而实现高画质化，并且由于扩散角小，能够抑制光利用效率的劣化。因此，通过在凹面复合棱镜170与光分支部132之间配置扩散板161，能够兼顾光利用效率和视觉确认性的改善。

以上，通过本实施例所示的结构，在使用了光学积分器的小型照明光学***中，能够提供兼顾了光利用效率和视觉确认性的HMD。

[实施例3]

在本实施例中，对搭载有上述实施例1、2中叙述的影像生成部101的HMD的应用例进行说明。图10是表示本实施例中的HMD的使用例的图。在图10中，对与图4A相同的结构标注相同的附图标记，并省略其说明。

在图10中，在用户2的视野中，在来自HMD10的影像(虚像)显示区域111显示内容。例如显示工业设备的检查、组装等中的作业顺序书301、附图302。影像显示区域111有限，因此若同时显示这些作业顺序书301、附图302，则内容变小，视觉确认性变差。因此，通过进行利用加速度传感器检测用户2的头部的朝向的头跟踪，并根据头部的朝向来改变显示内容，从而改善视觉确认性。即，在图10中，在用户2朝向左侧的状态下，在影像显示区域111中显示了作业顺序书301，但当用户朝向右侧时，在影像显示区域111中显示附图302，能够显示为犹如具有能够以广阔的视野视觉确认作业顺序书301和附图302的虚拟的影像显示区域112。

由此，视觉确认性得到改善，并且用户2能够一边同时视觉确认作业对象物(设备、工具等)和作业指示一边执行作业，因此能够进行更可靠的作业，能够减少错误。

图11是本实施例中的HMD的功能模块结构图。在图11中，对与图1相同的结构标注相同的附图标记，并省略其说明。在图11中，与图1的不同点在于，特别附加了头跟踪功能。即，在HMD10的图像信号处理部103A中设置有头跟踪部103H。头跟踪部103H基于感测部106A的加速度传感器106H的信息检测出用户2的头部的方向，并且根据头部的方向改变显示内容。

另外，在室内外使用HMD。因此，还需要根据周围环境的明亮度来调节显示影像的亮度。作为一例，在感测部106A搭载照度传感器106M，根据照度传感器106M的输出来调节图像信号处理部103A显示的影像的亮度即可。

以上对实施例进行了说明，但本发明通过在实现影像投影装置的显示影像的高画质化的同时实现光学***的小型化，能够抑制使用材料的量。因此，能够减少碳排放量，防止全球变暖，对用于实现SDGs(Sustainable Development Gals，可持续发展目标)的特别是项目7的能源作出贡献。

另外，本发明并不限定于上述的实施例，包括各种变形例。例如，上述的HMD和影像生成部101的功能结构是为了容易理解而根据主要的处理内容进行了分类的结构。本发明不受构成要素的分类的方法、名称限制。HMD和影像生成部101的结构也能够根据处理内容分类为更多的构成要素。另外，也能够以1个构成要素执行更多的处理的方式进行分类。

另外，本发明不仅能够应用于HMD，当然也能够同样地应用于具有在各实施例中说明的影像生成部101的结构的其他影像(虚像)显示装置。

另外，能够将某实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构。另外，也可以在某实施例的结构中添加其他实施例的结构。另外，也可以对各实施例的结构的一部分进行其他结构的追加、删除、置换。

符号说明

1：影像投影装置、10：HMD、101：影像生成部、102：控制部、103：图像信号处理部、104：电力供给部、105：存储部、106：感测部、107：通信部、108：声音处理部、109：拍摄部、91～93：输入输出部、111：影像显示区域、112：虚拟的影像显示区域、120：照明光学部、121：影像显示部、122：投射部、123：导光部、132W：光分支部、150：光源、151：光学积分器、152：入射面、153：出射面、154：散射粒子、155、156：主面、157：出射反射面组、158：入射反射面、160、162：偏振滤光片、161：扩散板、170：凹面复合棱镜。

Claims (15)

1.一种照明光学部，其对显示影像的影像显示部进行照明，其特征在于，

所述照明光学部具备：

光源，其发出光；

透镜部，其将来自所述光源的发散光变换为大致准直光；以及

光分支部，其用于分支为从所述透镜部射出的光入射并朝向所述影像显示部的照明光的光路以及使来自所述影像显示部的光朝向投射部侧的光路，

所述光分支部具有射出所述照明光的2个以上的出射反射面。

2.根据权利要求1所述的照明光学部，其特征在于，

所述光分支部具有通过内部反射将照明光封闭的大致平行的1组主面，

所述2个以上的出射反射面的间隔比所述影像显示部的预定的一边的长度小。

3.根据权利要求1所述的照明光学部，其特征在于，

所述光分支部具有通过内部反射将照明光封闭的大致平行的1组主面，

形成于所述出射反射面的反射膜是偏振性的反射膜，

在所述光分支部与所述投射部之间配置有偏振滤光片。

4.根据权利要求1所述的照明光学部，其特征在于，

所述出射反射面是部分地反射光的部分反射面，

距离所述光分支部的入射部越远，所述2个以上的出射反射面的反射率越高。

5.根据权利要求1所述的照明光学部，其特征在于，

以1mm以上的间隔配置所述光分支部和所述影像显示部。

6.根据权利要求1所述的照明光学部，其特征在于，

所述光分支部的2个以上的出射反射面的排列方向与所述影像显示部的有效区域的短边方向大致平行。

7.根据权利要求1所述的照明光学部，其特征在于，

所述照明光学部具有被入射来自所述光源的光并向所述透镜部射出的光学积分器，

所述光学积分器是与四棱柱或圆柱类似的形状，该光学积分器的内部被预定的透明度高的介质A充满，填充有由折射率与所述介质A不同的透明度高的介质B形成的散射粒子。

8.根据权利要求1所述的照明光学部，其特征在于，

所述照明光学部具有被入射来自所述光源的光并向所述透镜部射出的光学积分器，

所述光学积分器是与四棱柱或圆柱类似的形状，该光学积分器的内部被分离为由预定的透明度高的介质A充满的层、以及填充有由折射率与所述介质A不同的透明度高的介质B形成的散射粒子的层。

9.根据权利要求1所述的照明光学部，其特征在于，

在所述光分支部与所述透镜部之间具备亮度均匀化单元。

10.根据权利要求1所述的照明光学部，其特征在于

所述照明光学部具有被入射来自所述光源的光并向所述透镜部射出的光学积分器，

所述光学积分器是与四棱柱或圆柱类似的形状，内部被预定的透明度高的介质A充满，

在所述光分支部与所述透镜部之间具备作为亮度均匀化单元的扩散板。

11.一种影像投影装置，其投影影像，其特征在于，

所述影像投影装置具备：

影像显示部，其显示影像；

照明光学部，其对所述影像显示部进行照明；以及

投射部，其将所述影像显示部的影像光放大并作为虚像进行投射，

所述照明光学部具有：

光源，其发出光；

光学积分器，其被入射来自所述光源的光，内部被预定的透明度高的介质和散射粒子充满；以及

透镜部，其将来自所述光学积分器的光变换为大致准直光，

在所述影像显示部与所述透镜部之间具备亮度均匀化单元。

12.根据权利要求11所述的影像投影装置，其特征在于，

所述影像显示部由透射型的液晶面板构成。

13.根据权利要求11所述的影像投影装置，其特征在于，

所述影像投影装置具备：光分支部，其用于分支为从所述透镜部射出的光入射并朝向所述影像显示部的照明光的光路以及将来自所述影像显示部的光朝向所述投射部侧的光路，

所述光分支部具有通过内部反射将所述照明光封闭的大致平行的1组主面和射出所述照明光的2个以上的出射反射面，

在所述光分支部与所述投射部之间配置有偏振滤光片。

14.根据权利要求11所述的影像投影装置，其特征在于，

所述影像投影装置具备：导光部，其进行来自所述投射部的影像光的复制并向用户的瞳孔传递，

所述导光部具有2个以上的部分反射面即出射反射面，作为在用户的视野内显示影像的头戴式显示器发挥功能。

15.根据权利要求11所述的影像投影装置，其特征在于，

所述影像投影装置具备：

电力供给部，其供给电力；

感测部，其检测用户的位置、姿势；

声音处理部，其进行声音信号的输入或输出；以及

控制部，其进行所述电力供给部、所述感测部以及所述声音处理部的控制。

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