JP2009151043A - Video display apparatus and head mounted display - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、映像表示装置及びその映像表示装置を用いたヘッドマウントディスプレイに関する。 The present invention relates to a video display device and a head mounted display using the video display device.
複数の透明基板を接合してなる接眼光学系を用い、ＬＣＤ等の表示素子の表示画像と外界像とを同時に観察することのできる映像表示装置がある。 There is a video display device that uses an eyepiece optical system formed by bonding a plurality of transparent substrates and can simultaneously observe a display image and an external image of a display element such as an LCD.
上述した映像表示装置は、複数の透明基板を反射面を介して接合し、映像表示素子から射出される映像光を透明基板の内部に入射させて反射面で反射させることにより光学瞳に映像光を導くとともに、透明基板を透過する外界光を光学瞳に入射させることで、映像と外界とを同時に観察することができる。このような映像表示装置については、例えば、特許文献１および特許文献２に開示されている。
しかしながら、上述したような映像表示装置は、反射面のみを介して複数の透明基板を接合しているために、映像表示装置に外力が負荷されると反射面に負荷がかかり、反射面が壊れて映像を観察することができなくなるという問題が生じる。そのため、上述したような映像表示装置においては、複数の透明基板を接合する接合強度を向上する必要がある。なお、接合強度を補うために、接眼光学系の全体を筐体で覆う構成も考えられるが、この場合は映像表示装置全体が大型化するという問題が生じてしまう。 However, since the image display device as described above has a plurality of transparent substrates joined only through the reflection surface, when an external force is applied to the image display device, the reflection surface is loaded and the reflection surface is broken. This causes a problem that the video cannot be observed. Therefore, in the video display device as described above, it is necessary to improve the bonding strength for bonding a plurality of transparent substrates. In order to supplement the bonding strength, a configuration in which the entire eyepiece optical system is covered with a housing is also conceivable. However, in this case, there arises a problem that the entire video display device is enlarged.
そこで、本発明は、映像と外界とを同時に観察することができるとともに、小型軽量で接合強度を向上することができる映像表示装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an image display device that can observe an image and the outside world at the same time, and that can be reduced in size and weight and can improve the bonding strength.
上記目的を達成するために本発明は、映像を表示する表示手段と、前記表示手段からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系と、前記表示手段を覆う筐体とを備えた映像表示装置であって、前記接眼光学系は、前記表示手段からの映像光を内部で導光し、反射面を介して光学瞳に導く第１の透明基板と、前記第１の透明基板の前記反射面を含む複数の接合面で接合され、第１の透明基板での外光の屈折を相殺するための第２の透明基板とを有しており、前記筐体は、前記第１の透明基板で支持されており、前記第１の透明基板における前記反射面以外の接合面は、曲面で構成されていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention provides a video display device comprising display means for displaying video, an eyepiece optical system for guiding video light from the display means to an optical pupil, and a casing covering the display means. The eyepiece optical system guides the image light from the display means inside and guides it to the optical pupil via the reflecting surface, and the reflecting surface of the first transparent substrate. And a second transparent substrate for canceling refraction of external light on the first transparent substrate, and the casing is the first transparent substrate. The bonding surface other than the reflection surface of the first transparent substrate is supported by a curved surface.
上記構成によると、表示手段からの映像光は、接眼光学系の第１の透明基板に入射してその内部を導光され、反射面を介して光学瞳に導かれる。したがって、観察者は、光学瞳の位置にて、表示手段に表示された映像の虚像を観察することができる。また、第１の透明基板に第２の透明基板が接合されているので、第１の透明基板（例えば反射面が形成されている部分）を透過する際の外光の屈折を第２の透明基板で相殺することができる。よって、観察者は、第１の透明基板および第２の透明基板を介して外界像を歪みなく観察することができる。 According to the above configuration, the image light from the display means enters the first transparent substrate of the eyepiece optical system, is guided through the inside, and is guided to the optical pupil via the reflecting surface. Therefore, the observer can observe the virtual image of the image displayed on the display means at the position of the optical pupil. In addition, since the second transparent substrate is bonded to the first transparent substrate, the refraction of the external light when passing through the first transparent substrate (for example, the portion where the reflecting surface is formed) is second transparent. Can be offset by the substrate. Therefore, the observer can observe the external image without distortion through the first transparent substrate and the second transparent substrate.
また、第１の透明基板は、反射面以外にも接合面を有しており、しかもその接合面が曲面であるので、反射面のみで接合する場合に比べて、第２の透明基板との接合面積が確実に増大し、接合強度を向上させることができる。したがって、第１の透明基板および第２の透明基板の接合を補強すべく、筐体が接眼光学系の全体を覆う構成とする必要がなく、本発明のように、筐体が接眼光学系の一部である第１の透明基板で支持される構成を採用することができる。このように、筐体が接眼光学系の全体を覆わないので、小型の映像表示装置を実現することができる。 In addition, the first transparent substrate has a bonding surface in addition to the reflection surface, and the bonding surface is a curved surface. Therefore, the first transparent substrate is different from the case of bonding only with the reflection surface. The bonding area can be surely increased and the bonding strength can be improved. Therefore, there is no need for the casing to cover the entire eyepiece optical system in order to reinforce the bonding between the first transparent substrate and the second transparent substrate, and the casing is made of the eyepiece optical system as in the present invention. The structure supported by the 1st transparent substrate which is a part can be employ | adopted. As described above, since the casing does not cover the entire eyepiece optical system, a small video display device can be realized.
また、本発明は上記構成の映像表示装置において、前記表示手段の表示面の中心と光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とすると、前記第１の透明基板における前記反射面以外の接合面は、２面からなり、前記２面の接合面は、前記反射面に入射する映像光の光軸と前記反射面で反射される映像光の光軸とを含む面に対して、略対称に配置されていることが好ましい。 According to the present invention, in the video display device having the above-described configuration, when the optical axis is an axis that optically connects the center of the display surface of the display means and the center of the optical pupil, the first transparent substrate other than the reflection surface The joint surface of the two surfaces, the joint surface of the two surfaces, with respect to a surface including the optical axis of the image light incident on the reflection surface and the optical axis of the image light reflected by the reflection surface, It is preferable that they are arranged substantially symmetrically.
上記構成によると、接眼光学系に荷重が加わると、第１の透明基板と第２の透明基板とを接合する接合面に負荷がかかり、接合面に含まれる反射面が壊れ易くなる。そこで、反射面以外の接合面を２面で構成して、その２面を反射面に入射する映像光の光軸と反射面で反射される映像光の光軸とを含む面に対して略対称となるように配置する。これにより、第１の透明基板と第２の透明基板とを反射面以外の接合面でバランスよく強固に接合することができる。したがって、反射面に負荷がかかりにくくなり、反射面の機能が損なわれるのを回避することができる。 According to the above configuration, when a load is applied to the eyepiece optical system, a load is applied to the joint surface that joins the first transparent substrate and the second transparent substrate, and the reflective surface included in the joint surface is easily broken. Therefore, the joint surface other than the reflecting surface is composed of two surfaces, and the two surfaces are substantially the same as the surface including the optical axis of the image light incident on the reflecting surface and the optical axis of the image light reflected on the reflecting surface. Arrange them so that they are symmetrical. As a result, the first transparent substrate and the second transparent substrate can be firmly bonded in a balanced manner at the bonding surface other than the reflecting surface. Therefore, it is difficult to apply a load to the reflecting surface, and the function of the reflecting surface can be prevented from being impaired.
また、本発明は上記構成の映像表示装置において、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板とは、同一材料で構成されており、前記第１の透明基板における前記反射面以外の接合面は、前記第２の透明基板と接着剤で接合されていることが好ましい。 According to the present invention, in the video display device having the above-described configuration, the first transparent substrate and the second transparent substrate are made of the same material, and the first transparent substrate is bonded to a portion other than the reflection surface. The surface is preferably bonded to the second transparent substrate with an adhesive.
上記構成によると、第１の透明基板と、第２の透明基板とは、例えば、ポリメタクリル酸メチル（PMMA）等の同一材料で構成される。そのため、第１の透明基板と第２の透明基板とを接合する接着剤は、ある特定の１つの材料に対して有効にはたらく接着剤を選択することができる。これにより、第１の透明基板と第２の透明基板とを、より強固に接合することができ、反射面への負荷を確実に軽減できる。 According to the said structure, a 1st transparent substrate and a 2nd transparent substrate are comprised by the same material, such as polymethyl methacrylate (PMMA), for example. Therefore, the adhesive which joins the 1st transparent substrate and the 2nd transparent substrate can choose the adhesive which works effectively to one specific material. Thereby, the 1st transparent substrate and the 2nd transparent substrate can be joined more firmly, and the load to a reflective surface can be reduced reliably.
また、本発明は上記構成の映像表示装置において、前記第１の透明基板における前記反射面以外の接合面は、光学瞳側に窪んだ凹面で構成されていることが好ましい。 In the video display device having the above-described configuration according to the present invention, it is preferable that the joint surface other than the reflection surface in the first transparent substrate is a concave surface recessed toward the optical pupil side.
上記構成によると、第１の透明基板における反射面以外の接合面は、光学瞳側に窪んだ凹面で構成されている。そのため、例えば、第１の透明基板の曲面で構成された接合面に沿うように第２の透明基板の接合面を構成し、それらの間に接着剤を充填したときには、接着剤の厚さが均一となる。これにより、対称面とより短い距離にある第１の透明基板と第２の透明基板との間の接合線幅が、対称面とより遠い距離にある第１の透明基板と第２の透明基板との間の接合線幅と比較して狭くなる。つまり、光軸により近い距離にある第１の透明基板と第２の透明基板との接合線幅を小さくすることができる。したがって、観察者は、外界観察時でも瞳中心に近い上記接合線を認識しにくくなり、外界観察がしやすくなる。 According to the above configuration, the joint surface other than the reflective surface in the first transparent substrate is configured as a concave surface recessed toward the optical pupil side. Therefore, for example, when the bonding surface of the second transparent substrate is formed along the bonding surface formed by the curved surface of the first transparent substrate and the adhesive is filled between them, the thickness of the adhesive is It becomes uniform. Accordingly, the first transparent substrate and the second transparent substrate in which the bonding line width between the first transparent substrate and the second transparent substrate which are at a shorter distance from the symmetry plane is at a distance farther from the symmetry plane. It becomes narrow compared with the joint line width between. That is, the joint line width between the first transparent substrate and the second transparent substrate that are closer to the optical axis can be reduced. Therefore, it becomes difficult for an observer to recognize the junction line close to the center of the pupil even when observing the outside world, and it is easy to observe the outside world.
また、本発明は上記構成の映像表示装置において、前記第１の透明基板における前記反射面以外の接合面は、光学瞳とは反対側に突出した凸面で構成されており、前記対称面に垂直な断面内において、各凸面の曲率中心は、各凸面間で異なった位置にあることが好ましい。 According to the present invention, in the video display device having the above-described configuration, the joint surface other than the reflection surface in the first transparent substrate is configured by a convex surface protruding to the side opposite to the optical pupil, and is perpendicular to the symmetry plane. Within a simple cross section, the center of curvature of each convex surface is preferably at a different position between the convex surfaces.
上記構成によると、第１に透明基板における反射面以外の接合面は、光学瞳とは反対側に突出した凸面で構成されており、対称面に垂直な断面内において、各凸面の曲率中心は、各凸面間で異なった位置となるように構成される。そのため、例えば、一方の接合面の曲率中心を軸とする回転方向の荷重が負荷されたとしても、他方の接合面で回転方向に加えられた荷重を分散して接合面の負荷を低減することができる。これにより、第１および第２の透明基板の接合強度をさらに向上させることができる。 According to the above configuration, first, the joint surface other than the reflective surface in the transparent substrate is configured as a convex surface protruding to the opposite side of the optical pupil, and the center of curvature of each convex surface is within the cross section perpendicular to the symmetry plane. The projections are configured to have different positions between the convex surfaces. Therefore, for example, even when a load in the rotation direction about the center of curvature of one joint surface is applied, the load applied in the rotation direction on the other joint surface is dispersed to reduce the load on the joint surface. Can do. Thereby, the joint strength of the first and second transparent substrates can be further improved.
また、本発明は上記構成の映像表示装置において、第１の透明基板と第２の透明基板とは、接着剤で接合されており、接着剤の厚さは、略均一であることが好ましい。 In the video display device having the above configuration according to the present invention, it is preferable that the first transparent substrate and the second transparent substrate are bonded with an adhesive, and the thickness of the adhesive is substantially uniform.
上記構成によると、第１の透明基板と第２の透明基板とを接合する接着層の厚みは、略均一である。そのため、接着剤の一部の領域に応力が集中することを避けることができる。これにより、接着剤による接着強度を向上させることができる。 According to the said structure, the thickness of the contact bonding layer which joins a 1st transparent substrate and a 2nd transparent substrate is substantially uniform. Therefore, it is possible to avoid stress concentration on a partial area of the adhesive. Thereby, the adhesive strength by an adhesive agent can be improved.
また、本発明は上記構成の映像表示装置において、第１の透明基板の反射面は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子が形成された面であることが好ましい。 In the image display device having the above configuration according to the present invention, it is preferable that the reflection surface of the first transparent substrate is a surface on which a volume phase reflection hologram optical element is formed.
上記構成によると、反射面に体積位相型の反射型のホログラム素子を用いる。体積位相型の反射型のホログラム素子は、波長に対する回折効率の依存性が高い。そのため、外界の透過率が高く、良好に外界を観察することができる。 According to the above configuration, a volume phase type reflection hologram element is used for the reflection surface. The volume phase type reflection hologram element has a high dependency of the diffraction efficiency on the wavelength. Therefore, the transmittance of the outside world is high and the outside world can be observed well.
また、本発明は上記構成の映像表示装置において、前記第１の透明基板は、前記映像表示手段の映像光を全反射して前記反射面に導く全反射面を有することが好ましい。 In the video display device having the above configuration according to the present invention, it is preferable that the first transparent substrate has a total reflection surface that totally reflects the video light of the video display means and guides it to the reflection surface.
上記構成によると、第１の透明基板は、映像表示手段から入射してきた映像光を全反射することで反射面に導くために、第１の透明基板の厚さを薄くすることができる。また、増反射コート等を施す必要がなく、第１の透明基板の全反射面で外界光を透過して明るく外界を観察することができる。 According to the above configuration, the first transparent substrate can reduce the thickness of the first transparent substrate because the first transparent substrate guides the image light incident from the image display means to the reflection surface by total reflection. Further, it is not necessary to provide an additional reflection coating or the like, and the external environment can be brightly observed by transmitting external light through the total reflection surface of the first transparent substrate.
また、上記目的を達成するために本発明は、請求項１から請求項８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備えていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention includes the video display device according to any one of
上記構成によると、映像表示装置が支持手段によって観察者の眼前で支持されるので、観察者は、ハンズフリーで映像を観察することができる。また、本発明の映像表示装置は、透明基板を透過して外界を観察可能であるため、映像を表示しない際も眼前に装着して外界を観察することができる。 According to the above configuration, since the video display device is supported in front of the observer's eyes by the support means, the observer can observe the video hands-free. In addition, since the video display apparatus of the present invention can observe the outside world through the transparent substrate, it can be worn in front of the eyes and observe the outside world even when no video is displayed.
本発明によると、接眼光学系において、第１透明基板を屈折する外界光を第２透明基板で相殺することで、表示手段から射出される映像と、外界から得られる外界像とを同時に明瞭に観察することができる。そして、第１透明基板と第２透明基板とを接合する反射面以外の接合面が曲面に構成されていることで、接合面積を増大させて接合強度を向上させることができる。これにより、接合強度を増加させるために、接眼光学系を筐体等で覆う必要がなく、小型軽量な映像表示装置を実現することができる。 According to the present invention, in the eyepiece optical system, the external light refracting the first transparent substrate is canceled by the second transparent substrate, so that the image emitted from the display means and the external image obtained from the external environment can be clearly and simultaneously displayed. Can be observed. And since the joining surface other than the reflective surface which joins the 1st transparent substrate and the 2nd transparent substrate is constituted by the curved surface, a joining area can be increased and joining strength can be improved. Accordingly, it is not necessary to cover the eyepiece optical system with a housing or the like in order to increase the bonding strength, and a small and lightweight video display device can be realized.
（ヘッドマウントディスプレイについて）
図２（ａ）は、本実施形態におけるヘッドマウントディスプレイの概略の構成を示す平面図であり、図２（ｂ）は、ヘッドマウントディスプレイの側面図であり、図２（ｃ）は、ヘッドマウントディスプレイの正面図である。ヘッドマウントディスプレイ１は、映像表示装置２と、それを支持する支持手段３とを有しており、全体として、一般の眼鏡から一方のレンズ（例えば左目用）のレンズを取り除いたような外観となっている。
(About head mounted display)
2A is a plan view showing a schematic configuration of the head mounted display in the present embodiment, FIG. 2B is a side view of the head mounted display, and FIG. 2C is a head mounted display. It is a front view of a display. The head mounted
映像表示装置２は、観察者に外界像をシースルーで観察させるとともに、映像を表示して観察者にそれを虚像として提供するものである。図２（ｃ）で示す映像表示装置２において、眼鏡の右目用レンズに相当する部分は、後述する第１の透明基板２０および第２の透明基板２２（図３参照）の貼り合わせによって構成されている。なお、映像表示装置２の詳細な構成については後述する。
The
支持手段３は、映像表示装置２を観察者の眼前（例えば右目の前）で支持するものであり、ブリッジ４と、フレーム５と、テンプル６と、鼻当て７と、ケーブル８とを有している。なお、フレーム５、テンプル６および鼻当て７は、左右一体に設けられているが、これらを左右で区別する場合は、右フレーム５Ｒ、左フレーム５Ｌ、右テンプル６Ｒ、左テンプル６Ｌ、右鼻当て７Ｒ、左鼻当て７Ｌのように表現するものとする。
The support means 3 supports the
映像表示装置２の一端は、ブリッジ４に支持されている。このブリッジ４は、映像表示装置２のほかにも左フレーム５Ｌおよび鼻当て７を支持している。左フレーム５Ｌは、左テンプル６Ｌを回動可能に支持している。一方、映像表示装置２の他端は、右フレーム５Ｒに支持されている。右フレーム５Ｒにおいて、映像表示装置２の支持側と反対に位置する側端部は、右テンプル６Ｒを回動可能に支持している。ケーブル８は、外部信号（例えば映像信号、制御信号）や電力を映像表示装置２に供給するための配線であり、右フレーム５Ｒおよび右テンプル６Ｒに沿って設けられている。
One end of the
観察者がヘッドマウントディスプレイ１を使用するときは、右テンプル６Ｒおよび左テンプル６Ｌを観察者の右側頭部および左側頭部に接触させるとともに、鼻当て７を観察者の鼻に当て、一般の眼鏡をかけるようにヘッドマウントディスプレイ１を観察者の頭部に装着する。この状態で、映像表示装置２にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置２の映像を虚像として観察することができるとともに、この映像表示装置２を介して外界像をシースルー（例えば、透過率５０％以上）で観察することができる。
When the observer uses the head-mounted
上記構成のヘッドマウントディスプレイ１においては、映像表示装置２が支持手段３によって観察者の眼前で指示されるので、観察者は、ハンズフリーとなり、外界像および映像表示素子での表示映像を虚像として観察しながら、空いた手で所望の作業を行うことができる。
In the head mounted
なお、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）で示したヘッドマウントディスプレイ１は、映像表示装置２を１個だけ備えた構成であるが、左右の両眼に対応して映像表示装置２を２個備えた構成であっても勿論かまわない。
The head mounted
（映像表示装置について）
次に、上述した映像表示装置の詳細について説明する。
(About video display device)
Next, details of the above-described video display device will be described.
図３は、映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置２は、映像を表示する表示手段１１と、表示手段１１からの映像光を光学瞳Ｅに導く接眼光学系１３と、表示手段１１を覆って接眼光学系１３の第１の透明基板２０に支持される筐体１２とを備える。表示手段１１は、光源１４と、一方向拡散板１５と、集光レンズ１６と、ＬＣＤ１７とを有している。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the video display device. The
光源１４は、ＲＧＢ一体型のＬＥＤ（日亜化学製）で構成されている。図４は光源１４の波長に対する発光強度を示すグラフである。図４に示すように、光源１４は、ＲＧＢのそれぞれの波長域である、６３５ｎｍ±１０ｎｍ、５２５ｎｍ±１７ｎｍ、４６２ｎｍ±１２ｎｍにおいて、発光強度が高くなるように構成されている。ＬＥＤの強度は、後述するホログラム光学素子２１の回折効率やＬＣＤ１７の透過率等を考慮して設定され、これにより、ＬＣＤ１７で白色表示することができる。
The
一方向拡散板１５は、光源１４からの照明光を拡散させるものであるが、その拡散度は方向によって異なっている。より詳細には、一方向拡散板１５は、ヘッドマウントディスプレイ１を観察者が装着したときの左右方向に対応する方向（図３の紙面に垂直な方向）には、入射光を約４０°拡散させ、ヘッドマウントディスプレイ１を観察者が装着したときの上下方向（図３の紙面に平行な方向）には、入射光を約０．５°拡散させる。
The
集光レンズ１６は、一方向拡散板１５にて拡散された光を集光するものである。集光レンズ１６は、光源１４と光学瞳Ｅとが共役となるように配置されることで、上記拡散光が効率よく光学瞳Ｅを形成し、明るい映像を観察することができる。
The condensing
ＬＣＤ１７は、映像信号に基づいて光源１１からの光を変調することにより、映像を表示する光変調素子である。なお、本実施形態では、ＬＣＤ１７は、波長制限フィルタ（カラーフィルタ）を備えた透過型であるが、反射型で構成されていてもよい。この場合、光源１４などのほかの光学素子の配置位置を工夫する必要がある。また、ＬＣＤ１７以外の光変調素子（例えば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device;米国テキサスインスツルメント社製））を用いてもよい。
The
一方、接眼光学系１３は、第１の透明基板２０と、第２の透明基板２２と、第１の透明基板２０と第２の透明基板２２との間に配置されるホログラム光学素子２１とから構成されている。また第１の透明基板２０と第２の透明基板２２とは、その接合部で連続した面形状が形成されるように接合されている。
On the other hand, the eyepiece
第１の透明基板２０および第２の透明基板２２は、例えば、アクリル系樹脂（後述する）で構成されている。第１の透明基板２０は、平行平板の下端部を楔状にし、その上端部を厚くした形状で構成されており、面２０ａ、２０ｂ、２０ｃを有している。面２０ａは、表示手段１１からの映像光が入射する入射面であり、面２０ｂ、２０ｃは互いに対向する面である。このうち、面２０ｂは、全反射面兼射出面となっている。
The first
第２の透明基板２２は、平行平板の上端部を第１の透明基板２０の下端部に沿った形状とすることによって、第１の透明基板２０と一体となって略平行平板となるように構成されている。第１の透明基板２０に第２の透明基板２２を接合させない場合、外界像の光が第１の透明基板２０の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、第１の透明基板２０を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、第１の透明基板２０に第２の透明基板２２を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外界像の光が第１の透明基板２０の楔状の下端部を透過するときの屈折を第２の透明基板２２でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで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。
The second
第１の透明基板２０と第２の透明基板２２とは、接着剤２３（図７参照）により接合されており、第１の透明基板２０と第２の透明基板２２の間はホログラム光学素子２１が配置されている。
The first
ホログラム光学素子２１は、体積位相型の反射型のホログラムで構成され、例えば、フォトポリマーからなる。図５に、本実施形態におけるホログラム光学素子２１の波長に対する回折効率のグラフを示す。本実施形態におけるホログラム光学素子２１は、体積位相型の反射型のホログラムで構成されるため、波長に対する回折効率の依存性が高い。図５に示すように、ホログラム光学素子２１は、４６５ｎｍ、５２１ｎｍ、６３４ｎｍの波長域で強いピークが見られ、これらのピークはそれぞれＢ、Ｇ、Ｒの波長域の光に対応している。また、それぞれのピークにおける回折波長半値幅は±５ｎｍであり、非常に狭い。そのため、本実施形態におけるホログラム光学素子２１は波長選択性が良く、特定の波長を有する光を回折するので、外界光は、ホログラム光学素子２１に殆ど影響されることなく、ホログラム光学素子２１を透過して光学瞳Ｅに入射することができる。これにより、外界の透過率が高く、良好に外界を観察することができる映像表示装置２を実現することができる。また、図４および図５に示すように、光源１４と、ホログラム光学素子２１とのピーク波長が近似していることで、明るい映像を表示することができる映像表示装置２となる。
The hologram
このような映像表示装置２の構成により、光源１４から出射された光は、一方向拡散板１５にて拡散され、集光レンズ１６にて集光されてＬＣＤ１７へ入射する。ＬＣＤ１７に入射した光は、映像信号に基づいて変調され、映像光として出射される。このとき、ＬＣＤ１７には、その映像自体が表示される。
With such a configuration of the
ＬＣＤ１７からの映像光は、接眼光学系１３の第１の透明基板２０の上端部（面２０ａ）から第１の透明基板２０の内部に入射し、対向する２つの面２０ｂ、２０ｃで複数回全反射されて、ホログラム光学素子２１に入射する。ホログラム光学素子２１に入射した光は、そこで反射されて面２０ｂを介して射出され、光学瞳Ｅに達する。光学瞳Ｅの位置では、観察者は、ＬＣＤ１７に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。光学瞳Ｅから虚像までの距離は数ｍ程度であり、また、虚像の大きさはＬＣＤ１７に表示された映像の１０倍以上である。
The image light from the
一方、第１の透明基板２０、第２の透明基板２２は、外界からの光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像を観察することができる。したがって、ＬＣＤ１７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。
On the other hand, the first
以上のように、映像表示装置２では、ＬＣＤ１７から出射される映像光を第１の透明基板２０内での全反射によって光学瞳Ｅに導く構成としたので、通常の眼鏡レンズと同様に第１の透明基板２０および第２の透明基板２２の厚さを３ｍｍ程度にすることができ、接眼光学系１３ひいては映像表示装置２を小型化、軽量化することができる。また、外界像の光の透過率が高くなり、外界像を良好に観察することができる。さらに表示手段１１を観察者の眼の直前から大きく離れた位置に配置することができ、観察者の外界に対する視野を広く確保することができる。
As described above, since the
なお、本実施形態においては、光学瞳Ｅを、強度半値でＸ方向（図３の紙面に対して垂直な方向）に６ｍｍ、Ｙ方向（図３の紙面に対して上下方向）に２ｍｍの大きさとなるように設定する。ここで、表示手段１１の表示面の中心と光学瞳Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とすると、上述した構成はすなわち、Ｙ方向（ホログラム光学素子２１への光軸の入射面（ＹＺ平面）に平行な方向）よりも、Ｘ方向（上記入射面に垂直な方向）に大きくなるように設定している。光学瞳Ｅを上述したように設定することによって、ホログラム光学素子２１の波長特性（波長選択性）の影響をあまり受けずに、観察者は色ムラの少ない高画質な映像を観察することができる。その理由は以下のとおりである。
In the present embodiment, the optical pupil E has a half intensity of 6 mm in the X direction (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 3) and 2 mm in the Y direction (vertical direction with respect to the paper surface of FIG. 3). Set to be. Here, if the axis that optically connects the center of the display surface of the display means 11 and the center of the optical pupil E is the optical axis, the above-described configuration is the Y direction (the incident surface of the optical axis on the hologram optical element 21). It is set to be larger in the X direction (the direction perpendicular to the incident surface) than (the direction parallel to the (YZ plane)). By setting the optical pupil E as described above, the observer can observe a high-quality image with little color unevenness without being greatly affected by the wavelength characteristic (wavelength selectivity) of the hologram
まず、ホログラム光学素子２１における入射角と波長選択性との関係について説明する。０度より大きい入射角を持つ光を回折させる干渉縞を持つホログラム光学素子２１では、入射面（ＹＺ平面）に平行な方向よりも入射面に垂直な方向において、波長選択性が小さい（入射角のずれによる回折波長のずれが小さい）。言い換えると、入射面に平行な方向よりも入射面に垂直な方向のほうが、干渉縞への入射角のずれに対する角度選択性が低い。これは、ホログラム光学素子２１の干渉縞に光が入射する場合、入射面内での入射角の角度ずれは、そのまま入射角の角度のずれとなるため、回折波長に対する影響が大きいが、入射面に垂直な方向の角度ずれは、入射角のずれとしては小さく、回折波長に対する影響は小さいからである。
First, the relationship between the incident angle and the wavelength selectivity in the hologram
したがって、ホログラム光学素子２１の干渉縞に所定の入射角からずれた角度の光が入射すると、同じ角度ずれでも、入射面に平行な方向での角度ずれのほうが、入射面に垂直な方向の角度ずれよりも、大きく回折波長がずれる（すなわち入射面に平行な方向は、波長選択性が大きい）。
Therefore, when light having an angle shifted from a predetermined incident angle is incident on the interference fringes of the hologram
ここで、図６は、本実施形態において、光学瞳Ｅにおける瞳位置と主たる回折波長（例えばＲ光）との関係をしめす説明図である。図６中、破線Ｂ１は、光学瞳ＥのＸ方向における回折波長の変化を示しており、実線Ｂ２は、光学瞳ＥのＹ方向の瞳における回折波長の変化を示している。このように、回折波長の変化は、入射面に平行なＹ方向の方が、入射面に垂直なＸ方向よりも大きい。 Here, FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the pupil position in the optical pupil E and the main diffraction wavelength (for example, R light) in the present embodiment. In FIG. 6, a broken line B1 indicates a change in diffraction wavelength in the X direction of the optical pupil E, and a solid line B2 indicates a change in diffraction wavelength in the Y direction pupil of the optical pupil E. Thus, the change in the diffraction wavelength is larger in the Y direction parallel to the incident surface than in the X direction perpendicular to the incident surface.
したがって、回折波長の変化が大きいＹ方向に光学瞳Ｅを小さく形成することにより、回折波長の変化の範囲が狭くなるので、光学瞳Ｅ上での色むらを低減することができる。また、入射面に垂直な方向に光学瞳Ｅを大きく形成しても、色純度の高い映像を観察者に提供することができる。 Therefore, by forming the optical pupil E small in the Y direction where the change in the diffraction wavelength is large, the range of change in the diffraction wavelength is narrowed, so that the color unevenness on the optical pupil E can be reduced. Moreover, even if the optical pupil E is formed large in the direction perpendicular to the incident surface, an image with high color purity can be provided to the observer.
なお、光軸入射面以外の光は、入射面が光軸入射面と若干平行ではないが、前述のとおり、入射面に垂直な方向の角度ずれは回折波長に対する影響が小さいので、光軸入射面を基準にしても色むらが大きくなることはない。 For light other than the optical axis incident surface, the incident surface is not slightly parallel to the optical axis incident surface, but as described above, the angle deviation in the direction perpendicular to the incident surface has little effect on the diffraction wavelength, so Even if the surface is used as a reference, uneven color does not increase.
また、光源１４は、光軸入射面に垂直なＸ方向では、一方向拡散板１５により拡散されるので、光学瞳Ｅとは共役ではないが、光軸入射面に平行なＹ方向においては、光学瞳Ｅと略共役である。これにより、光源１４の光利用効率を高くするとともに、色再現性の高い映像を提供することができる。
Further, since the
また、ホログラム光学素子２１は、ＬＣＤ１７にて表示された映像を拡大する正の非軸対称な光学パワーを有しており、上記表示映像を観察者の眼に虚像として導く接眼光学系１３の少なくとも一部を構成しているので、接眼光学系１３を小型にできるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。また、観察者は映像光を観察できる光学瞳Ｅの大きさより広い範囲で第１の透明基板２１、第２の透明基板２２およびホログラム光学素子２１を透過して外界を観察できる。言い換えれば、光学瞳Ｅの位置で第１の透明基板２１、第２の透明基板２２およびホログラム光学素子２１を透過した広視野の外界を観察できる。
Further, the hologram
（接眼光学系について）
次に、上述した接眼光学系１３の詳細について説明する。
(About eyepiece optics)
Next, details of the above-described eyepiece
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における接眼光学系の分解斜視図を示す。
本発明の第１実施形態における接眼光学系１３（１３ａ）は、表示手段１１を覆う筐体１２を支持する第１の透明基板２０と、第１の透明基板２０と複数の面で接合される第２の透明基板２２とから構成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is an exploded perspective view of an eyepiece optical system according to the first embodiment of the present invention.
The eyepiece optical system 13 (13a) in the first embodiment of the present invention is bonded to the first
第１の透明基板２０は、図１に示すように、全体として略４角錐台の形状をしており、その面２０ｂおよび面２０ｃは４つの側面で連結されている。４つの側面のうち、第２の透明基板２２と接合される３面を、面２０ｃに対して反時計周りに面２０ｄ、２０ｅ、２０ｆとする。これらの面２０ｄ、２０ｅ、２０ｆはそれぞれ法線方向が異なっている。なお、面２０ｂは、映像表示装置２において映像光を全反射するとともに、光学瞳Ｅに映像光を射出する全反射面兼射出面であり、面２０ｃは、映像表示装置２において映像光を全反射する全反射面である。なお、面２０ｂは光学瞳Ｅ側に配置されており、面２０ｃは、面２０ｂと対向して光学瞳Ｅと反対側に配置されている。
As shown in FIG. 1, the first
面２０ｅは、表示手段から射出する映像光を反射する反射面２４に構成されている。ここで、本実施形態において、面２０ｅは、体積位相型の反射型のホログラム光学素子２１を配置することで反射面２４として構成される。
The
なお、本実施形態においては、面２０ｅにホログラム光学素子２１を配置することにより、反射面２４を構成したが、金属ミラーコートや多層膜による反射シートにより反射面２４を構成してもよい。
In the present embodiment, the
面２０ｄおよび面２０ｆは、反射面２４に入射する映像光の光軸と反射面２４で反射される映像光の光軸とを含む面（対称面）に対して略対称となるように配置されて、面２０ｂから面２０ｃに向かって凸型となるように弧を描いた曲面（光学瞳Ｅとは反対側に突出した凸面）に構成される。この曲面は、自由曲面であってもよいし、非球面に構成されていてもよい。なお、面２０ｅに関しても曲面に構成されても構わない。
The
本発明の接眼光学系１３は、第１の透明基板２０が反射面２４以外にも接合面（面２０ｄ、面２０ｆ）を有しており、しかもその接合面が曲面であるので、反射面のみで接合する場合に比べて、第２の透明基板２２との接合面積が確実に増大し、接合強度を向上させることができる。したがって、第１の透明基板２０および第２の透明基板２２の接合を補強すべく、筐体が接眼光学系１３の全体を覆う構成とする必要がなく、本発明のように、筐体１２が接眼光学系１３の一部である第１の透明基板２０で支持される構成を採用することができる。このように、筐体１２が接眼光学系１３の全体を覆わないので、小型の映像表示装置２を実現することができる。さらに、接合強度が向上することで、接眼光学系１３を薄型化することができ、軽量な映像表示装置２を実現することができる。
In the eyepiece
また、面２０ｄおよび面２０ｆを反射面２４に対して略対称となるように配置されることで、映像表示装置２に外力が付加されたときに、反射面２４にかかる負荷を、反射面２４以外の接合面である面２０ｄ、２０ｆに分散させることができ、第１の透明基板２０と第２の透明基板２２とを反射面２４以外の接合面でバランスよく強固に接合することができる。これにより、反射面２４を破壊から守ることができる。
Further, the
ここで、前記対称面に垂直な断面内において、第１の透明基板２０の反射面２４以外の接合面である各面２０ｄ、２０ｆの曲率中心は、各接合面間で異なった位置にあるように構成される。そのため、例えば、一方の面２０ｄの曲率中心を軸とする回転方向の荷重が映像表示装置２に負荷されたとしても、他方の面２０ｆで回転方向に加えられた荷重を分散して面２０ｄの負荷を低減することができる。これにより、第１透明基板２０と第２の透明基板２２との接合強度をさらに向上させることができる。
Here, in the cross section perpendicular to the symmetry plane, the centers of curvature of the
第２の透明基板２２は、図１に示すように、第１の透明基板２０が接合することで平行平板が形成されるような形状となっている。つまり、第２の透明基板２２は、平行平板から第１の透明基板２０の形状をくりぬいた形状を有している。ここで、第２の透明基板２２において、第１の透明基板２０と接合したときに、第１の透明基板２０の面２０ｄ、２０ｅ、２０ｆと対向する面をそれぞれ面２２ａ、２２ｂ、２２ｃとする。これらの面２２ａ、２２ｂ、２２ｃの法線方向も互いに異なっている。第１の透明基板２０の反射面２４と対向する面２２ｂは、反射面２４に沿う形状となっているため、反射面２４が曲面に構成されている場合は、面２２ｂも反射面２４に沿うような曲面に構成される。
As shown in FIG. 1, the second
したがって、第２の透明基板２２が、第１の透明基板２０に沿う形状となっていることで、さらに接合面積を増加させることができ、接合強度を向上することができる。
Therefore, since the second
第１の透明基板２０の接合面と、第２の透明基板２２の接合面とは接着剤２３を介して接合される。ここで、本実施形態においては、第１の透明基板２０と第２の透明基板２２とは、ともにＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）等の同一材料を用いて構成される。そのため、接着剤２３は、ある特定の１つの材料に対して有効にはたらくものを選択することができる。これにより、第１の透明基板２０の反射面２４以外の面２０ｄ、２０ｆと、第２の透明基板２２の面２２ａ、２２ｃとを、より強固に接合することができ、反射面２４への負荷を確実に軽減できる。
The bonding surface of the first
図７は、本発明の接眼光学系の断面図である。図７に示すように、本実施形態における接眼光学系において、第１の透明基板２０に沿うように第２の透明基板２２を構成したことにより、第１の透明基板２０の接合面と第２の透明基板２２の接合面に配置する接着剤２３の厚さを均一にすることができる。そのため、接着剤２３の一部の領域に応力が集中することを避けることができ、接着剤２３による接着強度を向上させることができる。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the eyepiece optical system of the present invention. As shown in FIG. 7, in the eyepiece optical system according to the present embodiment, the second
ところで、接眼光学系１３において、第１の透明基板２０と第２の透明基板２２とを接合する接着剤２３の厚さを均一に構成すると、第１の透明基板２０と第２の透明基板２２との接合線幅が異なる。そこで、第１実施形態の接眼光学系１３において、反射面２４で反射されて光学瞳Ｅに入射する光軸により近い距離にある接合線幅が狭くなるように構成することで、接合線幅を認識しにくい接眼光学系を構成した構成例について以下に示す。
By the way, in the eyepiece
図８は、本発明の第１実施形態における別の構成例である接眼光学系を示した分解斜視図である。 FIG. 8 is an exploded perspective view showing an eyepiece optical system which is another configuration example according to the first embodiment of the present invention.
本発明の第１実施形態における別の構成例である接眼光学系１３（１３ｂ）は、表示手段１１を覆う筐体１２を支持する第１透明基板３０と、第１透明基板３０と複数の面で接合される第２透明基板３１とから構成されている。
The eyepiece optical system 13 (13b), which is another configuration example in the first embodiment of the present invention, includes a first
第１の透明基板３０は、図８に示すように、全体として略４角錐台の形状をしており、その面３０ｂおよび面３０ｃは４つの側面で連結されている。４つの側面のうち、第２の透明基板２２と接合される３面を、面３０ｃに対して反時計周りに面３０ｄ、３０ｅ、３０ｆとする。これらの面３０ｄ、３０ｅ、３０ｆはそれぞれ法線方向が異なっている。なお、面３０ｂは、映像表示装置２において映像光を全反射するとともに、光学瞳Ｅに映像光を射出する全反射面兼射出面であり、面３０ｃは、映像表示装置２において映像光を全反射する全反射面である。なお、面３０ｂは光学瞳Ｅ側に配置されており、面３０ｃは、面３０ｂと対向して光学瞳Ｅと反対側に配置されている。
As shown in FIG. 8, the first
面３０ｅは、ホログラム光学素子２１が配置することで、表示手段１１から射出する映像光を反射する反射面３４となる。そして、面３０ｄ、３０ｆと反射面３４は、第１の透明基板３０と、第２の透明基板３１とを接合する接合面となる。ここで、面３０ｄおよび面３０ｆは、反射面３４に入射する映像光の光軸と反射面で反射される映像光の光軸とを含む面に対して略対称となるように配置されて、面３０ｃから面３０ｂに向かって窪んだ凹型となるように弧を描いた曲面（光学瞳Ｅ側に窪んだ凹面）に構成される。この曲面は、自由曲面であってもよいし、非球面に構成されていてもよい。なお、面３０ｅに関しても曲面に構成されても構わない。
The
第２の透明基板３１は、図８で示すように、第１の透明基板３０が接合することで平行平板が形成されるような形状となっている。つまり、第２の透明基板３１は、平行平板から第１の透明基板３０の形状をくりぬいた形状を有している。ここで、第２の透明基板３１において、第１の透明基板３０と接合したときに、第１の透明基板３０の面３０ｄ、３０ｅ、３０ｆと対向する面をそれぞれ面３１ａ、３１ｂ、３１ｃとする。これらの面３１ａ、３１ｂ、３１ｃの法線方向も互いに異なっている。第１の透明基板３０の反射面３４と対向する面３１ｂは、反射面３４に沿う形状となっているため、反射面３４が曲面に構成されている場合は、面３１ｂも反射面３４に沿うような曲面に構成される。
As shown in FIG. 8, the second
ここで、図９は接眼光学系１３ｂを示す断面図である。第１の透明基板３０と第２の透明基板３１とを上述したように構成することで、図９に示すように、面３０ｃ側に位置する接合線幅のほうが、面３０ｂ側に位置する接合線幅よりも狭くなる。つまり、光軸により近い距離にある第１の透明基板３０と第２の透明基板３１との接合線幅を小さくすることができる。そのため、光学瞳Ｅの中心とより近くなるほど、接合線幅が狭くなる。これにより、観察者は、外界観察時でも瞳中心に近い上記接合線幅を認識しにくくなり、外界観察がしやすい映像表示装置２を構成することができる。
Here, FIG. 9 is a sectional view showing the eyepiece
（第２実施形態）
第２実施形態における接眼光学系１８（１８ａ）について以下に示す。図１０は、本発明の第２実施形態における接眼光学系の分解斜視図を示す。なお、説明のため、第１実施形態の接眼光学系１３と同様の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
(Second Embodiment)
The eyepiece optical system 18 (18a) in the second embodiment will be described below. FIG. 10 is an exploded perspective view of the eyepiece optical system according to the second embodiment of the present invention. For the sake of explanation, the same parts as those in the eyepiece
第２実施形態の接眼光学系１８（１８ａ）は、表示手段１１を覆う筐体１２を支持する第１の透明基板４０と、第１の透明基板４０と複数の面で接合される第２の透明基板４１とから構成されている。
The eyepiece optical system 18 (18a) of the second embodiment includes a first
第１の透明基板４０は、図１０に示すように、側面の一部が斜面に構成される柱体形状を有する。また、斜面は、面４０ａ、４０ｂ、４０ｃから構成されており、斜面の中心に配置する面４０ｂには、ホログラム光学素子２１が配置されて反射面４２を構成している。そして、反射面４２に入射する映像光の光軸と反射面４２で反射される映像光の光軸とを含む面に対して略対称となるように反射面４２を除く面４０ａ、４０ｃが配置される。ここで、面４０ａ、４０ｃは、光学瞳Ｅ側から見て凸型となるシリンドリカルあるいは自由曲面となるような曲面に構成される。なお、反射面４２に関しても曲面に構成されても構わない。ただし、反射面４２を曲面に構成した場合でも、面４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、同一面とはならない。
As shown in FIG. 10, the first
第２の透明基板４１は、図１０に示すように、第１の透明基板４０が接合することで平行平板が形成されるような形状となっている。ここで、第２の透明基板４１において、第１の透明基板４０と斜面で接合したときに、第１の透明基板４０の面４０ａ、４０ｂ、４０ｃと対向する面をそれぞれ面４１ａ、４１ｂ、４１ｃとする。第１の透明基板４０の反射面４２と対向する面４１ｂは、反射面４２に沿う形状となっているため、反射面４２が曲面に構成されている場合は、面４１ｂも反射面４２に沿うような曲面に構成される。
As shown in FIG. 10, the second
次に、第２実施形態の別の構成例における接眼光学系１８（１８ｂ）について示す。図１１は、本発明の第２実施形態の別の構成例である接眼光学系の分解斜視図を示す。 Next, an eyepiece optical system 18 (18b) in another configuration example of the second embodiment will be described. FIG. 11 is an exploded perspective view of an eyepiece optical system which is another configuration example of the second embodiment of the present invention.
第１の透明基板５０は、図１１に示すように、側面の一部が斜面に構成される柱体形状を有する。また、斜面は、面５０ａ、５０ｂ、５０ｃから構成されており、斜面の中心に配置する面５０ｂには、ホログラム光学素子２１が配置されて反射面５２を構成している。そして、反射面５２に入射する映像光の光軸と反射面５２で反射される映像光の光軸とを含む面に対して略対称となるように反射面５２を除く面５０ａ、５０ｃが配置される。ここで、面５０ａ、５０ｃは、光学瞳Ｅ側から見て窪んだ凹型となるシリンドリカルあるいは自由曲面となるような曲面に構成される。なお、反射面５２に関しても曲面に構成されても構わない。
As shown in FIG. 11, the first
第２の透明基板５１は、図１１に示すように、第１の透明基板５０と接合することで平行平板が形成されるような形状となっている。第２の透明基板５１において、第１の透明基板５０の斜面と接合したときに、第１の透明基板５０の面５０ａ、５０ｂ、５０ｃと対向する面をそれぞれ面５１ａ、５１ｂ、５１ｃとする。第１の透明基板５０の反射面５２と対向する面５０ｂは、反射面５２に沿う形状となっているため、反射面５２が曲面に構成されている場合は、面５１ｂも反射面に沿うような曲面に構成される。
As shown in FIG. 11, the second
第２実施形態の接眼光学系１８（１８ａ、１８ｂ）は、上述したような構成を備えることにより、第１実施形態の接眼光学系１３に比べて射出成型の際の金型の構成が簡素となるため、容易に製造することができる。なお、第２実施形態の接眼光学系１８は、第１の透明基板において反射面を除く接合面の曲率中心が同軸上となっているが、接合面によって曲率中心が異なる軸上にあるように構成することもできるし、あるいは、接合面と接合面とで凹凸が逆になるように構成することもできる。
The eyepiece optical system 18 (18a, 18b) of the second embodiment has a configuration as described above, so that the mold configuration at the time of injection molding is simpler than the eyepiece
上述した映像表示装置２の構成においては、光源１４としてＬＥＤを１個用いた構成としていたが、光源としてＬＥＤを２個用いた構成としてもよい。図１２は、ＬＥＤを２個配置した光源の平面図である。図１３は、上記光源を用いた映像表示装置の光路を展開して示す説明図である。
In the configuration of the
光源６０は、ＬＥＤ６１ａとＬＥＤ６１ｂとで構成され、ＬＥＤ６１ａおよびＬＥＤ６１ｂは、それぞれＲＧＢの各色光を出射する発光素子６２（６２Ｒ、６２Ｇ、６２Ｂ）および発光素子６３（６３Ｒ、６３Ｇ、６３Ｂ）で構成されている。
The
各ＬＥＤ６１ａ、６１ｂの各発光素子６２、６３は、ホログラム発光素子２１への光軸の入射面（ＹＺ平面）に対して垂直な方向に並んで配置されているが、さらに、上記入射面に対して各色ごとに面対称となるように配置されている。より詳細には、図１２に示すように、発光素子６２Ｒ・６３Ｒが上記入射面に近い位置で面対称となるように配置され、そのＸ方向外側に発光素子６２Ｇ・６３Ｇが上記入射面に対して面対称となるように配置され、さらにそのＸ方向外側に発光素子６２Ｂ・６３Ｂが上記入射面に対して面対称となるように配置されている。つまり、各ＬＥＤ６１ａ、６１ｂでは、上記入射面側からＸ方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で、各発光素子が配置されている。
The
このように、各発光素子を各色ごとに上記入射面に対して面対称に配置することにより、同じ色についての２つの発光素子（例えば６２Ｒと６３Ｒ）からの出射光の光強度を足し合わせたトータルの光強度の重心を、ＲＧＢの各色ともに対称面内（上記入射面内）に位置させることができる。つまり、ＲＧＢの各色ともにその強度分布を、対称面を中心にしてＸ方向に対称にすることができる。これにより、光学瞳Ｅの中心において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。 As described above, the light intensity of the light emitted from the two light emitting elements (for example, 62R and 63R) for the same color is added by arranging the light emitting elements symmetrically with respect to the incident surface for each color. The center of gravity of the total light intensity can be located in the symmetry plane (in the incident plane) for each of the RGB colors. That is, the intensity distribution of each color of RGB can be symmetric in the X direction with the symmetry plane as the center. Accordingly, an image with little color unevenness at the center of the optical pupil E can be provided to the observer.
なお、各発光素子の面対称の中心となる面は、上記入射面に平行な面であってもよい。つまり、各発光素子の面対称の中心となる面は、上記入射面からＸ方向に多少ずれた面であっても構わない。この場合は、光学瞳Ｅの中心付近において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。 Note that the plane that is the center of plane symmetry of each light emitting element may be a plane parallel to the incident plane. That is, the surface that is the center of symmetry of each light emitting element may be a surface that is slightly deviated in the X direction from the incident surface. In this case, an image with little color unevenness near the center of the optical pupil E can be provided to the observer.
ここで、ホログラム発光素子２１は、上述したように、回折効率ピークおよびその半値波長全幅で４６５ｎｍ±５ｎｍ、５２１ｎｍ±５ｎｍ、６３４ｎｍ±５ｎｍの各波長の映像光を回折するように作製されている。このように、各色で回折効率の半値波長幅が同じなので、波長の長い光ほど角度選択性が大きい（波長の変化に対する入射角のずれが小さい）。したがって、ＬＥＤ６１ａ、６１ｂにおいて、光軸入射面側からＸ方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で各発光素子６２、６３が配置されていることにより、光学瞳Ｅ内での各色の強度差を小さくすることができ、光学瞳Ｅ内で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。以下、この点について詳細に説明する。
Here, as described above, the hologram
回折効率ピークの波長をλ、ホログラム発光素子２１の媒質（干渉縞）の屈折率をｎ、媒質の厚さをｈ、入射角をθとすると、これらの間には、
λ＝２ｎｈｃｏｓθ
の関係が成り立つ。ここで、波長の短いＢ光および波長の長いＲ光において、それぞれの波長が例えば同じ５ｎｍだけずれた場合、波長の変化の割合は、Ｂ光については４６５／４７０であり、Ｒ光については６３４／６３９である。つまり、波長の変化の割合は、波長の短いＢ光に比べて波長の長いＲ光のほうが小さい。したがって、波長の短いＢ光に比べて波長の長いＲ光のほうが、波長の変化に対する入射角θのずれ方は小さい（角度選択性が大きい）。よって、光源６０からの出射光のＲＧＢの波長幅が同じ場合には、ホログラム発光素子２１によって回折されてできる光学瞳Ｅの大きさは、波長が長い光ほど小さい。なお、光学瞳Ｅは、各色の光学瞳の範囲を全て含むものとする
Assuming that the wavelength of the diffraction efficiency peak is λ, the refractive index of the medium (interference fringes) of the hologram
λ = 2nhcosθ
The relationship holds. Here, in the B light having a short wavelength and the R light having a long wavelength, when the respective wavelengths are shifted by, for example, the same 5 nm, the rate of change in wavelength is 465/470 for the B light and 634 for the R light. / 639. That is, the rate of change in wavelength is smaller for R light having a longer wavelength than for B light having a shorter wavelength. Therefore, the R light having a longer wavelength is smaller in the incident angle θ with respect to the change in wavelength (the angle selectivity is greater) than the B light having a shorter wavelength. Therefore, when the RGB wavelength width of the emitted light from the
一方、光源６０のＬＥＤ（各発光素子）からの出射光の強度は、一般的に中心付近ほど強く、周囲ほど弱い。また、各発光素子は、Ｙ方向においては、光学瞳Ｅと略共役となるように配置されているが、Ｘ方向では、一方向拡散板１５により拡散されるので、光学瞳Ｅとは共役ではない。しかし、光学瞳Ｅにおいて最も強度の強い位置は、一方向拡散板１５がないとした場合の各発光素子と共役な位置にほぼ同じである。
On the other hand, the intensity of light emitted from the LED (each light emitting element) of the
したがって、光学瞳Ｅが小さい長波長（Ｒ光）の瞳中心を光学瞳Ｅの中心側に位置させ、光学瞳Ｅが大きい短波長（Ｂ光）の瞳中心を光学瞳Ｅの中心よりも外側に位置させることで、光学瞳Ｅ内での瞳位置による強度差を各色について小さくすることができる。この点について、もう少し詳細に説明する。 Therefore, the pupil center of the long wavelength (R light) with the small optical pupil E is positioned on the center side of the optical pupil E, and the pupil center of the short wavelength (B light) with the large optical pupil E is located outside the center of the optical pupil E. Therefore, the intensity difference depending on the pupil position in the optical pupil E can be reduced for each color. This point will be described in a little more detail.
図１４は、光学瞳ＥにおけるＸ方向の瞳位置と光強度との関係を示す説明図である。なお、光強度は、同じ色については相対値で示されている。また、図１４中の６２Ｒ、６２Ｇ、６２Ｂ、６３Ｒ、６３Ｇ、６３Ｂで示される曲線は、それぞれの発光素子６２（６２Ｒ、６２Ｇ、６２Ｂ）、６３（６３Ｒ、６３Ｇ、６３Ｂ）から出射される光に対応している。 FIG. 14 is an explanatory diagram showing the relationship between the pupil position in the X direction in the optical pupil E and the light intensity. The light intensity is shown as a relative value for the same color. Further, the curves indicated by 62R, 62G, 62B, 63R, 63G, and 63B in FIG. 14 are the lights emitted from the respective light emitting elements 62 (62R, 62G, and 62B) and 63 (63R, 63G, and 63B). It corresponds.
上述したように、ホログラム発光素子２１の角度選択性により、波長が長い光ほど光学瞳Ｅは小さいので、図１４に示すように、波長が長い光ほど瞳位置による強度差が大きくなっている（光学瞳Ｅの中心と端部における強度差が大きくなっている）。逆に、波長が短い光ほど光学瞳Ｅは大きいので、波長が短い光ほど瞳位置による強度差が小さくなっている。
As described above, due to the angle selectivity of the hologram
また、波長が長い光を発光する発光素子６２Ｒ（６３Ｒ）ほど、光軸入射面側に配置されているので、光強度の高い位置は、波長が長い光ほど光学瞳Ｅの中心に近くなっている。逆に、波長が短い光を発光する発光素子６２Ｂ（６３Ｂ）ほど光軸入射面から離れた位置に配置されているので、光強度の高い位置は、光学瞳Ｅの周辺となっている。
Further, since the
つまり、波長が長い光ほど瞳位置による強度差が大きいが、光軸入射面側からＸ方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で各発光素子を配置し、波長が長い光ほど光強度の高い位置を光学瞳Ｅの中心に近づけることで、波長が長い光について、瞳位置による強度差、すなわち、光学瞳Ｅの中心と端部における強度差を小さくすることができる。これにより、光学瞳Ｅの全体（瞳中心および瞳周辺）で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。 In other words, the longer the wavelength, the greater the difference in intensity depending on the pupil position, but the light emitting elements are arranged in such an order that the wavelength of the emitted light becomes shorter from the optical axis incident surface side toward the outside in the X direction. By bringing the position with high light intensity closer to the center of the optical pupil E, the intensity difference depending on the pupil position, that is, the intensity difference between the center and the end of the optical pupil E can be reduced for light having a long wavelength. As a result, an image with little color unevenness can be provided to the observer over the entire optical pupil E (the pupil center and the periphery of the pupil).
また、ＬＥＤ６１ａ、６１ｂの各発光素子６２、６３は、図１３に示すように、一方向拡散板１５での拡散が大きい波長順（波長が短いほど拡散する）に配置されているので、光学瞳Ｅ上での各色の強度差がさらに小さくなり、色ムラを更に低減することができる。つまり、色純度の高い映像を観察者に提供することができる。
Further, as shown in FIG. 13, the
また、本実施形態においては、ＬＥＤ６１ａおよびＬＥＤ６１ｂの光の射出面に、マスク６４を配置する。マスク６４は、図１２に示すように、ＬＥＤ６１ａ・ＬＥＤ６１ｂの発光素子６２・６３が配置されている領域を除いて上下に配置される。
In the present embodiment, the
本実施形態の光源６０においては、ＬＥＤ６１ａとＬＥＤ６１ｂとの射出面の前面にマスク６４を配置することで、ＬＥＤ６１ａ、６１ｂ内の乱反射や拡散で発生する不要な光を遮光して光学瞳ＥのＹ方向（紙面に対して上下方向）の大きさを制限し、ホログラム発光素子２１の色むらを抑制したり、フレア光を軽減したりすることができる。なお、上述した光源６０においては、ＬＥＤ６１の封止剤に拡散剤を混ぜて、ＲＧＢの混色の補助を行うこともできる。
In the
本発明の映像表示装置は、例えばヘッドマウントディスプレイに利用可能である。 The video display device of the present invention can be used for a head mounted display, for example.
１ ヘッドマウントディスプレイ
２ 映像表示装置
３ 支持手段
１１ 表示手段
１２ 筐体
１３ 接眼光学系
２０、３０，４０、５０ 第１の透明基板
２１ ホログラム光学素子
２２、３１、４１、５１ 第２の透明基板
２３ 接着剤
２４，３４、４２、５２ 反射面
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記表示手段からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系と、
前記表示手段を覆う筐体とを備えた映像表示装置であって、
前記接眼光学系は、
前記表示手段からの映像光を内部で導光し、反射面を介して光学瞳に導く第１の透明基板と、
前記第１の透明基板の前記反射面を含む複数の接合面で接合され、第１の透明基板での外光の屈折を相殺するための第２の透明基板とを有しており、
前記筐体は、前記第１の透明基板で支持されており、
前記第１の透明基板における前記反射面以外の接合面は、曲面で構成されていることを特徴とする映像表示装置。 Display means for displaying video;
An eyepiece optical system for guiding image light from the display means to an optical pupil;
A video display device comprising a casing covering the display means,
The eyepiece optical system is
A first transparent substrate that guides image light from the display means inside and guides it to an optical pupil via a reflecting surface;
A second transparent substrate that is bonded at a plurality of bonding surfaces including the reflective surface of the first transparent substrate and offsets refraction of external light on the first transparent substrate;
The housing is supported by the first transparent substrate,
An image display device, wherein a bonding surface other than the reflection surface in the first transparent substrate is formed of a curved surface.
前記第１の透明基板における前記反射面以外の接合面は、２面からなり、
前記２面の接合面は、前記反射面に入射する映像光の光軸と前記反射面で反射される映像光の光軸とを含む面に対して、略対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。 When an axis optically connecting the center of the display surface of the display means and the center of the optical pupil is an optical axis,
The joint surface other than the reflective surface in the first transparent substrate consists of two surfaces,
The joint surface of the two surfaces is disposed substantially symmetrically with respect to a surface including an optical axis of image light incident on the reflection surface and an optical axis of image light reflected by the reflection surface. The video display device according to claim 1.
前記第１の透明基板における前記反射面以外の接合面は、前記第２の透明基板と接着剤で接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の映像表示装置。 The first transparent substrate and the second transparent substrate are made of the same material,
3. The video display device according to claim 1, wherein a bonding surface other than the reflection surface in the first transparent substrate is bonded to the second transparent substrate with an adhesive.
前記対称面に垂直な断面内において、各凸面の曲率中心は、各凸面間で異なった位置にあることを特徴とする請求項２に記載の映像表示装置。 The joint surface other than the reflection surface in the first transparent substrate is configured by a convex surface protruding to the opposite side of the optical pupil,
The video display device according to claim 2, wherein the center of curvature of each convex surface is located at a different position between the convex surfaces in a cross section perpendicular to the symmetry plane.
接着剤の厚さは、略均一であることを特徴とする請求項１、２、４、または５に記載の映像表示装置。 The first transparent substrate and the second transparent substrate are bonded with an adhesive,
6. The video display device according to claim 1, 2, 4, or 5, wherein the thickness of the adhesive is substantially uniform.
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備えていることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。 The video display device according to any one of claims 1 to 8,
A head-mounted display, comprising: a support member that supports the video display device in front of an observer's eyes.
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| JP2007328186A JP2009151043A (en) | 2007-12-20 | 2007-12-20 | Video display apparatus and head mounted display |
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2007
- 2007-12-20 JP JP2007328186A patent/JP2009151043A/en active Pending
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