JP2019197079A - 虚像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】表示像において筋状のムラが観察されることを抑制すること。【解決手段】虚像表示装置100は、表示素子11と、表示素子11から射出された画像光GLを導光して射出する導光部材20と、を備え、導光部材20は、互いに平行に配列されて画像光GLを反射して射出する複数の反射面31を有するミラーアレイ部30を備え、ミラーアレイ部30は、ミラーアレイ部30の厚みをTとし、複数の反射面31のピッチをPとし、反射面31がミラーアレイ部30の射出面30bの法線に対して成す角度をθとし、任意の自然数をmとすると、関係式mP≒Ttanθを満たす。【選択図】図2
Description
本発明は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイ及びその他の虚像表示装置に関する。
近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、導光板によって表示素子からの画像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。
例えば、特許文献1には、複数の反射面を有する導光板を備えた光学装置が開示されている。この光学装置では、複数の反射面がコーティング材料で被覆され、コーティング材料は、反射特性に関して、反射面に対する入射角が大きい場合に反射率が高くなる第1範囲と、反射面に対する入射角が小さい場合に反射角が低くなる第2範囲とを有し、望まない反射やゴーストの発生を抑制している。
しかしながら、透過性を有する多数の反射面を配列した場合、各反射面で反射され又は透過する画像光の輝度差により表示像において筋状のムラが観察される可能性がある。
本発明の一側面における虚像表示装置は、表示素子と、表示素子から射出された画像光を導光して射出する導光部材と、を備え、導光部材は、互いに平行に配列されて画像光を反射して射出する複数の反射面を有するミラーアレイ部を備え、ミラーアレイ部は、ミラーアレイ部の厚みをTとし、複数の反射面のピッチをPとし、反射面がミラーアレイ部の射出面の法線に対して成す角度をθとし、任意の自然数をmとすると、下記関係式
mP≒Ttanθ … (1)
を満たす。
mP≒Ttanθ … (1)
を満たす。
上記虚像表示装置によれば、上記関係式(1)が満たされており、反射面が局所的に重畳過剰となることを抑制でき、着目する反射面からの光に対して当該反射面の反光源側又は反入射側に隣接する1以上の反射面を経た光が局所的に混ざることを抑制でき、画像輝度の分布範囲が広がることを防止できる。また、上記関係式(1)が満たされることで、反射面が局所的に重畳不足となることを抑制でき、着目する反射面からの光と当該反射面の反光源側に隣接する1以上の反射面を経た光との間に局所的欠落が生ることを抑制でき、同様に画像輝度の分布範囲が広がることを防止できる。
〔第1実施形態〕
以下、図面を参照して本発明の第1実施形態に係る虚像表示装置について説明する。
以下、図面を参照して本発明の第1実施形態に係る虚像表示装置について説明する。
図1に示す虚像表示装置100は、ヘッドマウントディスプレイに適用されるものであり、観察者に虚像としての映像を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させる。虚像表示装置100は、画像形成装置10と、導光部材20とを一組として備える。なお、図面では、左眼用の虚像表示装置100のみを示しているが、左右反転させた同様の構造を有する右眼用の虚像表示装置を組み合わせることができ、この場合、全体として例えば眼鏡のような外観を有する虚像表示装置(不図示)とできる。
画像形成装置10は、表示素子又は映像素子である液晶デバイス11と、光結合用の投射レンズ12とを備える。液晶デバイス(表示素子)11は、光源14からの照明光を空間的に変調して、動画像その他の表示対象となるべき画像光GLを形成する。
投射レンズ12は、例えば縦のy方向に関して液晶デバイス11上の各点から射出された画像光GLを略平行光線にするコリメートレンズとして機能し、横のxz断面に関して導光部材20の一部と協働してコリメートレンズとして機能する。ここで、xyzは直交座標系である。なお、投射レンズ12は、ガラス又はプラスチックで形成され、1枚に限らず複数枚の構成とすることができる。投射レンズ12は、球面レンズに限らず、非球面レンズ、非軸対称曲面を含む自由曲面レンズ等とすることができる。投射レンズ12は、プリズムに置き換えることができ、この場合、プリズムに屈折力を持たせた投射プリズムとできるが、プリズムに屈折力を持たせないで、後述する入射部21等に屈折力を持たせることもできる。
導光部材20は、平板状の部分を有し、画像形成装置10で形成された画像光GLを虚像光として観察者の眼EYに向けて射出するとともに、外界像に対応する外界光OLを実質的にそのまま透過させる。導光部材20は、画像光を取り込む入射部21と、本体である導光用の平行導光体22と、画像光を取り出すための射出部23とを備える。本実施形態の場合、入射部21は、観察者の耳側に配置される。平行導光体22と入射部21の本体とは、高い光透過性を有する樹脂材料により成形された一体品である。
入射部21は、画像形成装置10からの画像光GLを取り込む光入射面ISと、取り込んだ画像光GLを反射して平行導光体22内に導く反射面RSとを有する。光入射面ISは、反射面RSで反射された画像光GLを内面側で全反射する機能も有する。反射面RSは、アルミ蒸着等により形成され、光入射面ISから入射した画像光GLを反射し光路を所定方向に折り曲げる。反射面RSで反射された画像光GLは、光入射面ISの内側で全反射され、平行導光体22内に結合される。なお、光入射面ISや反射面RSは、球面又は非球面に限らず、非軸対称曲面とすることができる。さらに、光入射面ISや反射面RSは、縦のy方向に偏って屈折力を有するものであってもよい。
平行導光体22は、xy面に平行に延びる平板部分であり、導光体とも呼ぶ。平行導光体22は、光透過性の樹脂材料等により形成され、平行に延びる一対の面である2つの対向する平面22a,22bを有する。両平面22a,22bは、平行平面であるため、外界像に関して拡大やフォーカスズレを生じさせない。また、+z側の一方の平面22aは、入射部21からの画像光を全反射させる全反射面として機能し、画像光を少ない損失で射出部23に導く役割を有する。−z側の他方の平面22bは、射出部23の一端まで延びている。ここで、裏側の平面22bの延長平面は、平行導光体22と射出部23との境界面IFとなっている。平行導光体22において、入射部21の反射面RSや光入射面ISの内側で反射された画像光GLは、光入射面ISに内側から入射し、ここで全反射され、導光部材20の奥側すなわち射出部23を設けた+x側に導かれる。
射出部23は、平行導光体22の奥側である+x側において、裏側の平面22bに沿ってその延長上に層状に形成され、或いは境界面IFに沿うように層状に形成されている。射出部23は、平行導光体22の外界側の平面22aにおいて所定面領域FRで全反射された画像光GLを通過させる際に、入射した画像光GLを所定角度で反射して光射出面OS側へ折り曲げる。ここでは、射出部23にこれまでこの射出部23を透過することなく最初に入射する画像光GLが虚像光としての取出し対象である。つまり、射出部23において光射出面OSの内面や境界面IFで反射される光があっても、これは画像光として利用されない。射出部23は、透過性を有する複数のミラー等を配列してなるミラーアレイ部30を有し、ミラーアレイ部30は、平行導光体22の外界側の裏側の平面22bに接合されて固定され、平面22aに沿って延びている。ミラーアレイ部30の詳しい構造については、図2等を参照して後に詳述する。
導光部材20が以上のような構造を有することから、画像形成装置10から射出され光入射面ISから導光部材20に入射した画像光GLは、入射部21で複数回の反射によって折り曲げられ、平行導光体22の平面22aの所定面領域FRにおいて全反射されて光軸AXに略沿って進む。+z側の平面22aの所定面領域FRで反射された画像光GLは、射出部23に入射する。この際、xy面内において、所定面領域FRのx方向の横幅は、射出部23のx方向の横幅よりも狭くなっている。より具体的には、画像光GLの光線束は、光軸AXを含むxz断面において、所定面領域FR近辺、つまり直進光路P1,P2の境界付近で両直進光路P1,P2に跨るような位置で全体として幅が絞られてビーム幅が細くなっている。結果的に、画像光GLの光線束が射出部23に入射する入射幅は、画像光GLの光線束が所定面領域FRに入射する入射幅よりも広い。このように、画像光GLの光線束が所定面領域FRに入射する入射幅を相対的に狭くすることにより、光路の干渉が生じにくくなり、境界面IFや光射出面OSを導光に利用しないで、所定面領域FRからの画像光GLを射出部23又はミラーアレイ部30に直接的に入射させることが容易になる。また、画像光GLの光線束を射出部23の手前で絞ることになり、横方向の視野角を比較的広くすることが容易になる。射出部23に入射した画像光GLは、射出部23又はミラーアレイ部30において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面OSから射出される。光射出面OSから射出された画像光GLは、虚像光として観察者の眼EYに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像としての画像光GLを認識することができる。ここで、像形成に用いられる画像光GLが射出部23に入射する角度は、光源側の入射部21から離れるに従って大きくなっている。つまり、射出部23の奥側又は反光源側には、外界側の平面22aに垂直なz方向又は光軸AXに対して傾きの大きな画像光GLが入射して比較的大きな角度で折り曲げられ、射出部23の前側又は光源側には、z方向又は光軸AXに対して傾きの小さな画像光GLが入射して比較的小さな角度で折り曲げられる。
以下、画像光の光路について説明する。液晶デバイス11の射出面11aにおいて、x方向又はz方向に関して異なる位置から射出した画像光GL0,GL1,GL2は、投射レンズ12を経て導光部材20の入射部21に入射し、平行導光体22内を通過して射出部23に至る。
投射レンズ12を経た各画像光GL0,GL1,GL2の主要成分は、導光部材20の光入射面ISからそれぞれ入射した後、入射部21を経て平行導光体22内を通過して射出部23に至る。射出面11aの中央部分から射出された画像光GL0は、平行導光体22内で一方の平面22aの所定面領域FRに入射して全反射され、射出部23の中央の部分23kに直接的に入射する。画像光GL0は、部分23kにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから光軸AX方向に平行光束として射出される。射出面11aの一端側又は−x側から射出された画像光GL1は、平行導光体22内で一方の平面22aの所定面領域FRに入射して全反射され、射出部23のうち奥側又は+x側の部分23hにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角γ1は、入射部21側に戻される程度が相対的に大きくなっている。一方、射出面11aの他端側又は+x側から射出された画像光GL2は、平行導光体22内で一方の平面22aの所定面領域FRに入射して全反射され、射出部23のうち入口側又は−x側の部分23mにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角γ2は、入射部21側に戻される程度が相対的に小さくなっている。結果的に、様々な画角の画像光GL0,GL1,GL2は、観察者の眼EYを想定した瞳位置EPaに集まる。瞳位置EPaは、導光部材20に設定された射出瞳の位置を意味する。
中央向けの画像光GL0は、仰角δ0で射出部23の部分23kに入射し、一方の周辺向け画像光GL1は、仰角δ1で射出部23の部分23hに入射し、他方の周辺向け画像光GL2は、仰角δ2で射出部23の部分23mに入射する。ここで、仰角δ0,δ1,δ2間には、δ2>δ0>δ1の関係が成り立っている。つまり、ミラーアレイ部30の反射面31への画像光GLの入射角は、仰角δ2に対応する部分23m、仰角δ0に対応する部分23k、仰角δ1に対応する部分23hの順で徐々に小さくなる。換言すれば、反射面31への入射角又はかかる反射面31での画像光GLの反射角は、入射部21から離れるに従って小さくなる。
図2を参照して、射出部23の構造について説明する。射出部23は、画像光GLをそれぞれ部分的に反射する複数の反射面31を配列してなるミラーアレイ部30を有する。ミラーアレイ部30は、xy面に沿って延びる矩形板状の部材であり、縦のy方向に延びる細長い反射面31を平行導光体22の延びる横のx方向に多数配列させることで構成されている。ミラーアレイ部30は、導光部材20の本体よりも薄く層状に延びる。反射面31は、金属反射膜や誘電体多層膜で形成され半透過性を有する。反射面31は、平行導光体22の観察者側から外界側に向かって入射部21側に傾斜している。より具体的には、反射面31は、その長手方向(y方向)を軸として、平面22a,22bに直交するyz面を基準として上端(+z側)が反時計方向に回転するように傾斜している。つまり、各反射面31は、xz断面で見て−x方向及び+z方向の間の方向に延びている。さらに、全反射面31は、精密に互いに平行に配置され、射出面30b又は光射出面OSを基準とする傾斜角θは全て等しくなっている。
ミラーアレイ部30は、多数のプリズム状のブロック部材32を接合した構造を有し、多数のブロック部材32は、多数の反射面31を交互に挟んだ状態で配列されている。ミラーアレイ部30は、多数のブロック部材32が配列される方向に層状に延びている。反射面31は、隣接する一対のブロック部材32間に挟まれた薄膜状のものとなっている。反射面31は、光透過性を有する。反射面31の画像光GLに対する反射率は、画像光GLの輝度確保や、シースルーによる外界光OLの観察を容易にする観点で、想定される画像光GLの入射角範囲において10%以上50%以下とする。ミラーアレイ部30の厚みTIは、0.7mm〜3.0mm程度に設定される。なお、ミラーアレイ部30を支持する平行導光体22の厚みは、例えば数mm〜10mm程度となっており、ミラーアレイ部30の方が本体である平行導光体22よりも薄い。ブロック部材32の屈折率は、平行導光体22の屈折率と略等しくなっているが、両者の屈折率を相違させることもできる。
ミラーアレイ部30は、ミラーアレイ部30の厚みをTとし、複数の反射面31のピッチをPとし、反射面31がミラーアレイ部30の光射出面OSの法線に対して成す角度をθとし、任意の自然数をmとすると、下記関係式
mP≒Ttanθ … (1)
を満たす。ここで、画像光GL0は、ミラーアレイ部30の光射出面OSに法線方向から入射し瞳位置EPaに至る光線であり、液晶デバイス11の射出面11a上から射出される画像光のうち、図1中において破線で示す射出面11aの中央から射出される成分である。この関係式(1)を満たす場合、反射面31の境界面IF側のエッジで反射された光線は、ミラーアレイ部30を横切るように通過する際に、ブロック部材32を実質的にm回横切る。図2の場合、反射面31のx方向の横幅が、平行導光体22の横幅に相当するピッチPの2倍となっており、m=2となっている。Ttanθは、正確にmPである必要はなく、±10%程度の微差は許容される。関係式(1)については、仮にmP<Ttanθとすると、ピッチPに対応する幅を有する多数の窓WIのうち1つの窓WIaを考えた場合に、入射部21から離れた反光源側又は反入射側であって図面右隣の1以上の光路的に関連する反射面31のうち最も離れた右側の反射面31Aからの反射光が局所的に混じって、着目する1つの窓WIaを射出する光の最大最小比率を悪化させる傾向が生じる。ここで、反光源側又は反入射側とは、ミラーアレイ部30において、入射部21から離れる方向を意味し、具体的には+x方向を意味する。逆に、仮にmP>Ttanθとすると、着目する1つの窓WIaと上記のような最も離れた右側の反射面31A又は31A’との関係で隙間に相当する局所的な光路の欠落が生じて、着目する1つの窓WIaを射出する光の最大最小比率を悪化させる傾向が生じる。
mP≒Ttanθ … (1)
を満たす。ここで、画像光GL0は、ミラーアレイ部30の光射出面OSに法線方向から入射し瞳位置EPaに至る光線であり、液晶デバイス11の射出面11a上から射出される画像光のうち、図1中において破線で示す射出面11aの中央から射出される成分である。この関係式(1)を満たす場合、反射面31の境界面IF側のエッジで反射された光線は、ミラーアレイ部30を横切るように通過する際に、ブロック部材32を実質的にm回横切る。図2の場合、反射面31のx方向の横幅が、平行導光体22の横幅に相当するピッチPの2倍となっており、m=2となっている。Ttanθは、正確にmPである必要はなく、±10%程度の微差は許容される。関係式(1)については、仮にmP<Ttanθとすると、ピッチPに対応する幅を有する多数の窓WIのうち1つの窓WIaを考えた場合に、入射部21から離れた反光源側又は反入射側であって図面右隣の1以上の光路的に関連する反射面31のうち最も離れた右側の反射面31Aからの反射光が局所的に混じって、着目する1つの窓WIaを射出する光の最大最小比率を悪化させる傾向が生じる。ここで、反光源側又は反入射側とは、ミラーアレイ部30において、入射部21から離れる方向を意味し、具体的には+x方向を意味する。逆に、仮にmP>Ttanθとすると、着目する1つの窓WIaと上記のような最も離れた右側の反射面31A又は31A’との関係で隙間に相当する局所的な光路の欠落が生じて、着目する1つの窓WIaを射出する光の最大最小比率を悪化させる傾向が生じる。
ミラーアレイ部30は、自然数をnとして、下記関係式
Ttan2θ≒Ttanθ+nP … (2)
を満たすことが望ましい。反射面31の光射出面OS側のエッジを通って光軸AXに平行な補助線AL1と、反射面31の光射出面OS側のエッジを通って画像光GL0に平行な補助線AL2とを考える。この関係式(2)を満たす場合、反射面31の境界面IF側のエッジを透過した光線は、ミラーアレイ部30を斜めに通過する際に、ブロック部材32を実質的にn回横切る。図2の場合、画像光GL0が約4つの窓WIに相当するブロック部材32を横切るので、n≒4となっている。このように、Ttan2θは、正確にTtanθ+nPである必要はなく、±10%程度の微差は許容される。関係式(2)については、仮にTtan2θ>Ttanθ+nPとすると、1つの窓WIbを考えた場合に、入射部21に近い画像光GL0の入射側であって図面左隣の1以上の光路的に関連する反射面31のうち最も離れた左側の反射面31Bからの透過光が局所的に混じって、着目する1つの窓WIbを射出する光の最大最小比率を悪化させる傾向が生じる。逆に、仮にTtan2θ<Ttanθ+nPとすると、着目する1つの窓WIbと上記のような最も離れた左側の反射面31B又は31B’との関係で局所的な光路の欠落が生じて、着目する1つの窓WIbを射出する光の最大最小比率を悪化させる傾向が生じる。
Ttan2θ≒Ttanθ+nP … (2)
を満たすことが望ましい。反射面31の光射出面OS側のエッジを通って光軸AXに平行な補助線AL1と、反射面31の光射出面OS側のエッジを通って画像光GL0に平行な補助線AL2とを考える。この関係式(2)を満たす場合、反射面31の境界面IF側のエッジを透過した光線は、ミラーアレイ部30を斜めに通過する際に、ブロック部材32を実質的にn回横切る。図2の場合、画像光GL0が約4つの窓WIに相当するブロック部材32を横切るので、n≒4となっている。このように、Ttan2θは、正確にTtanθ+nPである必要はなく、±10%程度の微差は許容される。関係式(2)については、仮にTtan2θ>Ttanθ+nPとすると、1つの窓WIbを考えた場合に、入射部21に近い画像光GL0の入射側であって図面左隣の1以上の光路的に関連する反射面31のうち最も離れた左側の反射面31Bからの透過光が局所的に混じって、着目する1つの窓WIbを射出する光の最大最小比率を悪化させる傾向が生じる。逆に、仮にTtan2θ<Ttanθ+nPとすると、着目する1つの窓WIbと上記のような最も離れた左側の反射面31B又は31B’との関係で局所的な光路の欠落が生じて、着目する1つの窓WIbを射出する光の最大最小比率を悪化させる傾向が生じる。
関係式(2)において、P=ρTtanθとする。ここで、係数ρは、関係式(1)の自然数mの逆数に対応する。この場合、関係式(2)は、
T×{2tanθ/(1−tan2θ)}≒(1+nρ)Ttanθ
と変形され、さらに変形することで、
tan2θ≒(nρ−1)/(nρ+1) … (21)
となる。関係式(21)は、自然数nと自然数mの逆数ρとの組み合わせにより、反射面31の成す角度θの適切な値を設定できることを意味する。
T×{2tanθ/(1−tan2θ)}≒(1+nρ)Ttanθ
と変形され、さらに変形することで、
tan2θ≒(nρ−1)/(nρ+1) … (21)
となる。関係式(21)は、自然数nと自然数mの逆数ρとの組み合わせにより、反射面31の成す角度θの適切な値を設定できることを意味する。
図3は、関係式(2)又は(21)をグラフ化したものであり、ρを1又は0.5とした場合の、自然数nと反射面31の傾斜角θとの関係を示す。
図4を参照して、−x側つまり左側に偏った画角φ0方向からの画像光GLの生成について説明する。この場合、画像光GLは、図1の例えば画像光GL2のように比較的大きな仰角δ2でミラーアレイ部30又は射出部23に入射して射出角γ2で光射出面OSから射出される。ここでは、図2に比較して例えば複数の反射面31のピッチPを減少させる調整を行うことで、画像光GLの各窓での最大最小比率を改善している。具体的には、ミラーアレイ部30の光射出面OSへ入射する光線の光射出面OSの法線に対する傾斜角をφiとして、ミラーアレイ部30は、下記関係式
mP≒Ttanθ−Ttanφi … (3)
を満たす。関係式(3)は、係式(1)を画角φ0の場合に適合させたものである。この関係式(3)を満たす場合、反射面31の境界面IF側のエッジで反射された光線は、ミラーアレイ部30を横切るように通過する際に、ブロック部材32を実質的にm回横切る。Ttanθは、正確にmPである必要はなく、±10%程度の微差は許容される。図4の場合、m=2となっている。関係式(3)を満たすことで、入射部21から離れた反光源側で光路的に関連する最も離れた右側の反射面31からの反射光が局所的に混じって画像光GLの最大最小比率を悪化させる傾向が生じることや、画像光GLの反光源側で光路的に関連する最も離れた右側の反射面31との間に局所的な光路の欠落が生じて、同様に画像光GLの最大最小比率を悪化させることを防止できる。
mP≒Ttanθ−Ttanφi … (3)
を満たす。関係式(3)は、係式(1)を画角φ0の場合に適合させたものである。この関係式(3)を満たす場合、反射面31の境界面IF側のエッジで反射された光線は、ミラーアレイ部30を横切るように通過する際に、ブロック部材32を実質的にm回横切る。Ttanθは、正確にmPである必要はなく、±10%程度の微差は許容される。図4の場合、m=2となっている。関係式(3)を満たすことで、入射部21から離れた反光源側で光路的に関連する最も離れた右側の反射面31からの反射光が局所的に混じって画像光GLの最大最小比率を悪化させる傾向が生じることや、画像光GLの反光源側で光路的に関連する最も離れた右側の反射面31との間に局所的な光路の欠落が生じて、同様に画像光GLの最大最小比率を悪化させることを防止できる。
ミラーアレイ部30は、図2の場合と同様に、自然数をnとして、下記関係式
Ttan(2θ−φi)≒Ttanθ+nP … (4)
を満たすことが望ましい。この関係式(4)を満たす場合、反射面31の境界面IF側のエッジを透過した光線は、ミラーアレイ部30を斜めに通過する際に、ブロック部材32を実質的にn回横切る。Ttan(2θ−φi)は、正確にTtanθ+nPである必要はなく、±10%程度の微差は許容される。関係式(4)を満たすことで、入射部21に近い入射側で光路的に関連する最も離れた左側の反射面31からの透過光が局所的に混じって画像光GLの最大最小比率を悪化させる傾向が生じることや、画像光GLの入射側で光路的に関連する最も離れた左側の反射面31との間に局所的な光路の欠落が生じて、同様に画像光GLの最大最小比率を悪化させることを防止できる。
Ttan(2θ−φi)≒Ttanθ+nP … (4)
を満たすことが望ましい。この関係式(4)を満たす場合、反射面31の境界面IF側のエッジを透過した光線は、ミラーアレイ部30を斜めに通過する際に、ブロック部材32を実質的にn回横切る。Ttan(2θ−φi)は、正確にTtanθ+nPである必要はなく、±10%程度の微差は許容される。関係式(4)を満たすことで、入射部21に近い入射側で光路的に関連する最も離れた左側の反射面31からの透過光が局所的に混じって画像光GLの最大最小比率を悪化させる傾向が生じることや、画像光GLの入射側で光路的に関連する最も離れた左側の反射面31との間に局所的な光路の欠落が生じて、同様に画像光GLの最大最小比率を悪化させることを防止できる。
図5を参照して、+x側つまり右側に偏った画角φ0方向からの画像光GLの生成について説明する。この場合、画像光GLは、図1の例えば画像光GL1のように比較的小さな仰角δ1でミラーアレイ部30又は射出部23に入射して射出角γ1又はφ0で光射出面OSから射出される。射出角φ0と傾斜角φiとの間にはスネルの法則が成り立っている。ここでは、図2に比較して例えば複数の反射面31のピッチPを増加させる調整を行うことで、画像光GLの各窓での最大最小比率を改善している。具体的には、図2の場合と同様に、ミラーアレイ部30は、上記関係式(3)を満たす。ただし、傾斜角φiの符号は、図2の場合と異なり、負となっている。この関係式(3)を満たす場合、反射面31の境界面IF側のエッジで反射された光線は、ミラーアレイ部30を横切るように通過する際に、ブロック部材32を実質的にm回横切る。図5の場合、m=2となっている。関係式(3)を満たすことで、画像光GLの最大最小比率を悪化させることを防止できる。
ミラーアレイ部30は、図2又は4の場合と同様に、上記関係式(4)を満たすことが望ましい。ただし、傾斜角φiの符号は、図4の場合と異なり、負となっている。この関係式(4)を満たす場合、反射面31の境界面IF側のエッジを透過した光線は、ミラーアレイ部30を斜めに通過する際に、ブロック部材32を実質的にn回横切る。関係式(4)を満たすことで、画像光GLの最大最小比率を悪化させることを防止できる。
図4及び5を参照して説明したように、関係式(3)及び(4)が様々な傾斜角φiで近似的に満たされていることが望ましいが、これが容易でない場合、視野の中心付近の画質を維持する観点で、傾斜角φiの絶対値が5°以下の場合に、関係式(3)及び(4)が同時に満たされるようにする。具体的な例で説明すると、m=2、n=3、θ=24.1°、T=3mmであるとき、傾斜角Φiが−5°〜5°の範囲でピッチPを0.52〜0.85mmとすると、±5%の誤差の範囲で上記関係式(3)及び(4)を満足するものとなる。また、m=1、n=2、θ=30°、T=2mmであるときも、傾斜角Φiが±5°の範囲でピッチPを0.92〜1.45mmとすると、±8%の誤差の範囲で上記関係式(3)及び(4)を満足するものとなる。
以下、図6を参照して、具体的な第1構造例について説明する。この場合、P=0.5Ttanθであり、ρ=0.5でありm=2である。条件式(2)に関しては、nが自然数となっていない。ここで、反射面31の透過率を0.8とし、反射面31の反射率を0.2とする。特定の窓WIにおいて、透過と反射とのパターンが異なる領域RA,RB,RC,RD,REが形成される。領域RAには、2度の透過及び反射の過程を経た光と、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は0.17となっている。ここで、効率は、元の映像輝度に対するミラーアレイ部30の通過による減衰を考慮した映像輝度の比を意味する。領域RBには、3度の透過及び反射の過程を経た光と、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は0.16となっている。領域RCには、3度の透過及び反射の過程を経た光と、透過、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は0.15となっている。領域RDには、4度の透過及び反射の過程を経た光と、3度の反射の過程を経た光と、透過、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は0.15となっている。領域REには、4度の透過及び反射の過程を経た光と、2度の反射、透過、及び反射の過程を経た光と、透過及び3度の反射の過程を経た光と、2度の透過、反射、及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は0.14となっている。第1構造例の平均的な効率は、0.16であり、最大最小比率は、0.82であり、ムラを抑えたと言える基準値0.7を十分超えている。
以下、図7を参照して、比較例について説明する。この場合、P=0.75Ttanθであり、ρ=0.75である。条件式(1)及び(2)に関しては、m及びnが自然数となっていない。特定の窓WIにおいて、透過と反射とのパターンが異なる領域RA,RB,RC,RDが形成される。領域RAには、反射の過程を経た光が入射し、効率は0.15となっている。領域RBには、透過及び反射の過程を経た光が入射し、効率は0.13となっている。領域RCには、2度の透過及び反射の過程を経た光が入射し、効率は0.11となっている。領域RDには、2度の透過及び反射の過程を経た光と、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は0.24となっている。比較例の平均的な効率は0.16であり、最大最小比率は、0.46であり、ムラが生じている。
以下、図8を参照して、第2構造例について説明する。この場合、P=0.5Ttanθであり、ρ=0.5でありm=2である。また、n=4である。特定の窓WIにおいて、透過と反射とのパターンが異なる領域RA,RBが形成される。領域RAには、2度の透過及び反射の過程を経た光と、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は0.17となっている。領域RBには、3度の透過及び反射の過程を経た光と、3度の反射の過程を経た光と、透過、反射、及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は0.15となっている。第2構造例の平均的な効率は、0.16であり、最大最小比率は、0.91であり、ムラを抑えたと言える基準値0.7を十分超えている。
以下、図9を参照して、第3構造例について説明する。この場合、P=Ttanθであり、ρ=1でありm=1である。また、n=2である。特定の窓WIにおいて、透過と反射とのパターンが異なる領域RA,RBが形成される。領域RAには、反射の過程を経た光が入射し、効率は0.20となっている。領域RBには、透過及び反射の過程を経た光が入射し、効率は0.16となっている。第1構造例の平均的な効率は、0.18であり、最大最小比率は、0.80であり、ムラを抑えたと言える基準値0.7を十分超えている。
以下、図10を参照して、第4構造例について説明する。この場合、P=0.5Ttanθであり、ρ=0.5でありm=2である。また、n=5である。特定の窓WIにおいて、透過と反射とのパターンが異なる領域RA,RB,RC,RD,REが形成される。領域RAには、2度の透過及び反射の過程を経た光と、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は0.17となっている。領域RBには、3度の透過及び反射の過程を経た光と、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は0.16となっている。領域RCには、3度の透過及び反射の過程を経た光と、3度の反射の過程を経た光と、透過、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は0.15となっている。領域RDには、4度の透過及び反射の過程を経た光と、3度の反射の過程を経た光と、透過、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は0.15となっている。領域REには、4度の透過及び反射の過程を経た光と、透過及び3度の反射の過程を経た光と、透過、反射、及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は0.15となっている。第4構造例の平均的な効率は、0.16であり、最大最小比率は、0.86であり、ムラを抑えたと言える基準値0.7を十分超えている。
〔第2実施形態〕
以下、本発明の第2実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第2実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
以下、本発明の第2実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第2実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
図11に示すように、導光部材20の平行導光体22は、観察者の眼EYを基準とする光軸AXに対して傾けて配置されており、その法線方向zは、光軸AXに対して角σだけ傾いている。この場合、平行導光体22を顔の曲線に沿って配置できるが、平行導光体22の法線は、光軸AXに対して傾きを有するものとなる。このように、平行導光体22の法線を光軸AXに平行な方向に対して角度σだけ傾ける場合、ミラーアレイ部30から射出させる光軸AX上及びその近傍の画像光GL0は、光射出面OSの法線に対して角度σを成すものとなる。ミラーアレイ部30の構造としては、光射出面OSに対して時計回りに傾いた方向に射出される画像光GL0が基準となる。つまり、本実施形態のミラーアレイ部30において、光軸AX近傍に配置される反射面31の傾斜や配置は、図5に類するものとなり、第1実施形態において+x側に偏った画角方向からの画像光GLに近いものとなる。また、本実施形態のミラーアレイ部30において、光軸AXを基準として−x側に偏った画角方向からの画像光GLに対応する反射面31の傾斜や配置は、図2に類するものとなり、第1実施形態において光軸AX方向からの画像光GLに近いものとなる。なお、本実施形態のミラーアレイ部30において、光軸AXを基準として+x側に偏った画角方向からの画像光GLに対応する反射面31のピッチは、図5に示すピッチよりもさらに広がる。
〔第3実施形態〕
以下、本発明の第3実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第3実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
以下、本発明の第3実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第3実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
図12に示すように、導光部材20において、ミラーアレイ部30は、傾斜した状態で組み込まれている。具体的には、ミラーアレイ部30は、入射部21から遠い反光源側又は奥側の部分23hが入射部21に近い入光源側又は前側の部分23mよりも外界寄りとなるように傾斜している。つまり、ミラーアレイ部30の入射面30a及び射出面30bは、平行導光体22の平面22a,22bを基準として、反時計回りに90°未満の適宜の角度ηで傾斜したものとなっている。ここで、射出部23は、ミラーアレイ部30を挟んで平行導光体22の反対側に、ミラーアレイ部30の射出面30bに接合される断面楔状のプリズム部材23fを有する。これにより、平行導光体22の外界側の平面22aと、この平面22aに対向する光射出面OS又は平面22bとが平行になって、外界光OLの自然な観察が可能になる。ミラーアレイ部30が傾斜した状態で配置されていても、ミラーアレイ部30の射出面30b等を基準とする反射面31の傾斜角θやピッチが、図2、3、4等を参照して説明した関係式(1)〜(4)を満たせばよい。
〔第4実施形態〕
以下、本発明の第4実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第4実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
以下、本発明の第4実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第4実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
図13に示すように、画像形成装置10の導光部材20において、ミラーアレイ部30は、本体である平行導光体22の外界側の平面22aに貼り付けるように固定され、平面22aに沿って延びている。
本実施形態においても、図14Aに示すように、ミラーアレイ部30は、ミラーアレイ部30の厚みをTとし、複数の反射面31のピッチをPとし、反射面31がミラーアレイ部30の光射出面OSの法線に対して成す角度をθとし、任意の自然数をmとすると、下記関係式
mP≒Ttanθ … (1)
を満たす。また、図14Bに示すように、ミラーアレイ部30は、ミラーアレイ部30の射出面30bから射出する画像光GLの光線の射出面30bの法線に対する傾斜角をφiとして、ミラーアレイ部30は、下記関係式
mP≒Ttanθ−Ttanφi … (3)
を満たす。
mP≒Ttanθ … (1)
を満たす。また、図14Bに示すように、ミラーアレイ部30は、ミラーアレイ部30の射出面30bから射出する画像光GLの光線の射出面30bの法線に対する傾斜角をφiとして、ミラーアレイ部30は、下記関係式
mP≒Ttanθ−Ttanφi … (3)
を満たす。
〔第5実施形態〕
以下、本発明の第5実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第5実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
以下、本発明の第5実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第5実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
図15に示すように、第5実施形態の場合、導光部材20の平行導光体22全体がミラーアレイ部30となっている。この導光部材20では、画像光GLは、平行導光体22又はミラーアレイ部30の平面22a,22b間を全反射によって伝搬する。
図15に示す場合も、上記した関係式(1)及び(2)が満たされることが望ましく、上記した関係式(3)及び(4)がさらに満たされることが望ましい。
〔変形例その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
例えば、上記実施形態の虚像表示装置100に設けた導光部材20は、平行導光体22において、平面22aで画像光GLを一回のみ全反射させてミラーアレイ部30に導く構成としたが、対向する平面22a,22bで画像光GLを複数回全反射させてミラーアレイ部30に導く構成とすることもできる。さらに、画像光GLが射出部23に達するまでの全反射回数については、これらを全ての画像光GLで一致させることは必須でなく、平面22a,22bでの反射回数が異なる画像光GLを合成して画像を表示するものとできる。
ミラーアレイ部30に設けた多数の反射面31の反射率は、原則として一致させるが、これら反射面31の反射率又は偏光分離特性を入射部21に近い入射側から反光源側にかけて徐々に変化させることもできる。
以上の説明では、映像素子として、透過型の液晶デバイス11を用いているが、映像素子としては、透過型の液晶デバイスに限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶パネルを用いた構成も可能であり、液晶デバイス11に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、有機EL、LEDアレイや有機LED、量子ドット発光型無機ELなどに代表される自発光型素子用いた構成も可能である。さらに、レーザー光源とポリゴンミラーその他のスキャナーとを組みあわせたレーザスキャナーを用いた構成も可能である。
以上の説明では、実施形態の虚像表示装置100がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、実施形態の虚像表示装置100は、ヘッドアップディスプレイ、双眼鏡型のハンドヘルドディスプレイ等に適用することもできる。
以上の説明では、平行導光体22等の平面22a,22bにおいて、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により画像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明における全反射については、平面22a,22b上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されることによって達成される反射も含むものとする。例えば、画像光GLの入射角度が全反射条件を満たした上で、平面22a,22bの一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。
10…画像形成装置、11…液晶デバイス、11a…射出面、12…投射レンズ、14…光源、20…導光部材、21…入射部、22…平行導光体、22a,22b…平面、23…射出部、23h,23k,23m…部分、30…ミラーアレイ部、30a…入射面、30b…射出面、31…反射面、32…ブロック部材、AX…光軸、EPa…瞳位置、EY…眼、FR…所定面領域、GL,GL0,GL1,GL2…各画像光、IF…境界面、IS…光入射面、OL…外界光、OS…光射出面、P1,P2…直進光路、RA,RB,RC,RD,RE…領域、RS…反射面
Claims (8)
- 表示素子と、
前記表示素子から射出された画像光を導光して射出する導光部材と、を備え、
前記導光部材は、互いに平行に配列されて前記画像光を反射して射出する複数の反射面を有するミラーアレイ部を備え、
前記ミラーアレイ部は、前記ミラーアレイ部の厚みをTとし、前記複数の反射面のピッチをPとし、前記反射面が前記ミラーアレイ部の射出面の法線に対して成す角度をθとし、任意の自然数をmとすると、下記関係式
mP≒Ttanθ … (1)
を満たす、虚像表示装置。 - 自然数をnとして、下記関係式
Ttan2θ≒Ttanθ+nP … (2)
を満たす、請求項1に記載の虚像表示装置。 - 前記ピッチが前記複数の反射面の配列方向の位置に応じて変化し、
前記ミラーアレイ部の前記射出面へ入射する光線の前記射出面の法線に対する傾斜角をφiとして、下記関係式
mP≒Ttanθ−Ttanφi … (3)
を満たす、請求項1及び2のいずれか一項に記載の虚像表示装置。 - 傾斜角φiの絶対値が5°以下の場合に、自然数をnとして、下記関係式
Ttan(2θ−φi)≒Ttanθ+nP … (4)
を満たす、請求項3に記載の虚像表示装置。 - 前記複数の反射面は、半透過性を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
- 前記ミラーアレイ部は、前記複数の反射面を交互に挟んだ状態で配列される複数のブロック部材を有するとともに、前記複数のブロック部材が配列される方向に層状に延びる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
- 前記ミラーアレイ部は、前記導光部材の本体よりも薄い、請求項6に記載の虚像表示装置。
- 前記ミラーアレイ部は、前記導光部材の本体の外界側又は裏側の平面に沿って延びる、請求項7に記載の虚像表示装置。
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CN112485922A (zh) * | 2021-01-11 | 2021-03-12 | 成都工业学院 | 基于渐变宽度点光源阵列的双视3d显示装置 |
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2018
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