JP6232863B2 - Optical device and image display apparatus - Google Patents
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本発明は、導光体と回折光学素子とを用いた光学デバイス、並びにその光学デバイスを備えた画像表示装置に関する。 The present invention relates to an optical device using a light guide and a diffractive optical element, and an image display apparatus including the optical device.
近年、画像投影装置の１つとして画像表示装置からの画像を、導光体を用いて、観察者の眼前まで導光して表示させるヘッドマウントディスプレイ、あるいはヘッドアップディスプレイ等が商品化され、さらなる小型化、広画角化、高効率化に関する開発が行われている。その中で、導光体内への入射、出射を行うための素子の１つとして回折光学素子が注目されている。この回折光学素子は、回折現象を利用して光の進行方向を制御することが可能であるため、反射や屈折を利用するよりも小型で光の操作自由度も高いという特性が得られる（例えば、特許文献１）。 In recent years, a head-mounted display, a head-up display, or the like that displays an image from an image display device as one of the image projection devices by using a light guide to guide the image to the eyes of an observer has been commercialized. Developments related to downsizing, wide angle of view, and high efficiency are underway. Among them, a diffractive optical element has attracted attention as one of elements for entering and exiting the light guide. Since this diffractive optical element can control the traveling direction of light by utilizing a diffraction phenomenon, it has characteristics that it is smaller and has a higher degree of freedom of light operation than using reflection or refraction (for example, Patent Document 1).
特許文献１に開示された画像表示装置は、車載用に用いられるヘッドアップディスプレイであり、入射側と出射側に回折光学素子が用いられている。この装置よれば、入射側の回折光学素子を介して導光体に入射された画像光が、導光体内で反射されて出射側の回折光学素子から取り出される。そして、導光体が透過性を有する部材で構成されているため、ドライバーは、フロントガラス越しの視界を遮られることなく、回折光学素子から取り出される画像を認識することができる。
The image display device disclosed in
しかしながら、特許文献１に開示された装置に用いられたような従来の回折光学素子により回折されて導光体内に入射されるのは、＋１次回折光とよばれる回折光だけであり、
他の方向に回折される−１次回折光や、回折しないで導光体をそのまま透過してしまう非回折光等、＋１次回折光以外の方向にエネルギーを分配してしまう。
However, only the diffracted light called + 1st order diffracted light is diffracted by the conventional diffractive optical element used in the apparatus disclosed in
Energy is distributed in directions other than + 1st order diffracted light, such as -1st order diffracted light that is diffracted in other directions or non-diffracted light that is transmitted through the light guide without being diffracted.
特に、最もエネルギーが多いのは、回折しないで導光体をそのまま透過してしまう非回折光であり、導光体への光の入射効率を低下させる最大の原因となっていた。 In particular, the most energy is non-diffracted light that is transmitted through the light guide without being diffracted, which has been the biggest cause of reducing the light incident efficiency on the light guide.
そこで、本発明は、上述した事情を考慮して、無駄になっている非回折光を有効に活用して、導光体への光の入射効率を向上させることのできる光学デバイス、並びにその光学デバイスを備えた画像表示装置を提案することを解決課題とする。 In view of the above-described circumstances, the present invention provides an optical device capable of effectively using wasted non-diffracted light to improve the light incident efficiency on the light guide, and the optical device. An object of the present invention is to propose an image display device including a device.
上記課題を解決するために、本発明に係る光学デバイスの第１の態様は、第１光入射部と第１光出射部とを備えた第１導光体と、前記第１導光体の前記第１光入射部に設けられ、入射光の一部を回折させて前記第１導光体の内部を反射により導光させる第１回折光学素子と、前記第１導光体の前記第１光入射部と反対側の面に設けられた反射部材と、を有し、前記反射部材は、前記入射光のうち前記第１回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部が、前記反射部材で反射した後前記第１回折光学素子で回折し、前記第１導光体の内部を反射により導光するように配置されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a first aspect of the optical device according to the present invention includes a first light guide including a first light incident portion and a first light emitting portion, and the first light guide. A first diffractive optical element provided in the first light incident portion and configured to diffract a part of incident light and guide the inside of the first light guide by reflection; and the first diffractive optical element of the first light guide. A reflective member provided on a surface opposite to the light incident portion, wherein the reflective member is configured such that at least a part of the incident light that is not diffracted by the first diffractive optical element is the reflective member. The first diffractive optical element is reflected and then diffracted by the first diffractive optical element so as to guide the inside of the first light guide by reflection.
上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、「反射部材」には、反射膜、あるいはダイクロイックミラー等を含む。「回折光学素子」には、表面レリーフ型の回折格子、ブレーズ型の回折格子、透過型の体積ホログラム等を含む。 In the first aspect of the optical device according to the present invention described above, the “reflective member” includes a reflective film, a dichroic mirror, or the like. The “diffractive optical element” includes a surface relief type diffraction grating, a blaze type diffraction grating, a transmission type volume hologram, and the like.
上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様によれば、第１光入射部に第１回折光学素子を配置し、第１回折光学素子に入射する画像光を第１回折光学素子により回折させて導光体内に入射させ、導光体により導光させる。第１回折光学素子により回折されなかった光は、反射部材によって反射させて再び第１回折光学素子により反射回折させて導光体内に入射させ、導光体により導光させる。回折光学素子により反射される光の角度は、格子周期と波長により決まるが、反射部材によって反射される光は、第１回折光学素子により回折された光と同じ波長なので、結局、第１回折光学素子により反射回折される光の角度は、第１回折光学素子により回折された光と同じ角度となり、光の入射効率を向上させることができる。 According to the first aspect of the optical device according to the present invention described above, the first diffractive optical element is disposed in the first light incident portion, and the image light incident on the first diffractive optical element is diffracted by the first diffractive optical element. Then, the light is incident on the light guide and guided by the light guide. The light that has not been diffracted by the first diffractive optical element is reflected by the reflecting member, is again reflected and diffracted by the first diffractive optical element, enters the light guide, and is guided by the light guide. Although the angle of the light reflected by the diffractive optical element is determined by the grating period and the wavelength, the light reflected by the reflecting member has the same wavelength as the light diffracted by the first diffractive optical element. The angle of the light reflected and diffracted by the element becomes the same angle as the light diffracted by the first diffractive optical element, and the light incident efficiency can be improved.
上述した本発明に係る光学デバイスの第２の態様において、第１光入射部と第１光出射部とを備えた第１導光体と、第２光入射部と第２光出射部とを備えた第２導光体と、前記第１導光体の前記第１光入射部に設けられ、入射光の一部を回折させて前記第１導光体の内部を反射により導光させる第１回折光学素子と、前記第２導光体の前記第２光入射部に設けられ、前記入射光のうち前記第１回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部を回折させて前記第２導光体の内部を反射により導光させる第２回折光学素子と、前記第２導光体の前記第２光入射部と反対側の面に設けられた反射部材と、を有し、前記第１導光体の内部を反射により導光する光は、前記第２導光体の内部を反射により導光する光と異なる分光分布を備え、前記反射部材は、前記入射光のうち前記第２回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部が、前記反射部材で反射した後前記第２回折光学素子で回折し、前記第２導光体の内部を反射により導光するように配置されていることを特徴とする。 In the second aspect of the optical device according to the present invention described above, a first light guide including a first light incident part and a first light emitting part, a second light incident part, and a second light emitting part are provided. A second light guide provided, and a first light guide provided in the first light incident portion of the first light guide to diffract part of the incident light and guide the inside of the first light guide by reflection. A first diffractive optical element and a second light incident portion of the second light guide, and diffracting at least a part of the incident light that is not diffracted by the first diffractive optical element, A second diffractive optical element that guides the inside of the light body by reflection, and a reflecting member provided on a surface of the second light guide opposite to the second light incident portion, and The light guided inside the light guide by reflection has a different spectral distribution from the light guided inside the second light guide by reflection, and the reflection The material is such that at least a part of the incident light that is not diffracted by the second diffractive optical element is reflected by the reflecting member and then diffracted by the second diffractive optical element. It arrange | positions so that it may guide by reflection.
上述した本発明に係る光学デバイスの第２の態様によれば、第１光入射部に第１回折光学素子を配置し、第１回折光学素子に入射する画像光を第１回折光学素子により回折させて導光体内に入射させ、導光体により導光させる。第１回折光学素子により回折されなかった光は、反射部材によって反射させて再び第１回折光学素子により反射回折させて導光体内に入射させ、導光体により導光させる。また、入射光のうち第１回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部は、第２回折光学素子に入射させ、第２回折光学素子により回折させて第２導光体の内部を反射により導光させる。入射光のうち第２回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部は、反射部材により反射させ、第２回折光学素子で回折させて、第２導光体の内部を反射により導光させる。反射部材によって反射される光は、第１回折光学素子により回折された光と同じ波長なので、結局、第１回折光学素子により反射回折される光の角度は、第１回折光学素子により回折された光と同じ角度となり、光の入射効率を向上させることができる。また、第２導光体の内部を反射により導光する光は、第１導光体の内部を反射により導光する光と異なる分光分布を備えるが、反射部材によって反射される光は、第２回折光学素子により回折された光と同じ波長なので、結局、第２回折光学素子により反射回折される光の角度は、第２回折光学素子により回折された光と同じ角度となり、光の入射効率を向上させることができる。このように、異なる分光分布を備える光の入射効率を向上させることができる。 According to the second aspect of the optical device according to the present invention described above, the first diffractive optical element is disposed in the first light incident portion, and the image light incident on the first diffractive optical element is diffracted by the first diffractive optical element. Then, the light is incident on the light guide and guided by the light guide. The light that has not been diffracted by the first diffractive optical element is reflected by the reflecting member, is again reflected and diffracted by the first diffractive optical element, enters the light guide, and is guided by the light guide. Further, at least part of the incident light that is not diffracted by the first diffractive optical element is incident on the second diffractive optical element, is diffracted by the second diffractive optical element, and is guided through the second light guide by reflection. Light up. At least a part of incident light that is not diffracted by the second diffractive optical element is reflected by the reflecting member, diffracted by the second diffractive optical element, and guided through the second light guide by reflection. Since the light reflected by the reflecting member has the same wavelength as the light diffracted by the first diffractive optical element, the angle of the light reflected and diffracted by the first diffractive optical element is diffracted by the first diffractive optical element. It becomes the same angle as the light, and the light incident efficiency can be improved. The light guided by reflection inside the second light guide has a different spectral distribution from the light guided by reflection inside the first light guide, but the light reflected by the reflecting member is Since it has the same wavelength as the light diffracted by the two diffractive optical element, the angle of the light reflected and diffracted by the second diffractive optical element is the same as that of the light diffracted by the second diffractive optical element. Can be improved. Thus, the incident efficiency of light having different spectral distributions can be improved.
上述した本発明に係る光学デバイスの第２の態様において、前記第１導光体と前記第２導光体との間にダイクロイックミラーを有するようにしてもよい。この場合には、ダイクロイックミラーによって反射されて第１導光体に導光される光以外の光を第２導光体の第２回折光学素子に入射させることが無くなるので、光量の損失や波面の劣化を防ぐことができる。 In the second aspect of the optical device according to the present invention described above, a dichroic mirror may be provided between the first light guide and the second light guide. In this case, light other than the light reflected by the dichroic mirror and guided to the first light guide is not incident on the second diffractive optical element of the second light guide. Can be prevented.
上述した本発明に係る光学デバイスの第２の態様において、前記第２導光体の前記第２光出射部に設けられ、前記第２導光体の内部を反射により導光した光の少なくとも一部を回折させて前記第２導光体の外部に取り出す第３回折光学素子を有することが好ましい。この場合には、第２導光体によって導光される光を効率よく第２導光体の外部に取り出すことが可能となる。 In the second aspect of the optical device according to the present invention described above, at least one of lights provided in the second light emitting portion of the second light guide and guided through the inside of the second light guide by reflection. It is preferable to have a third diffractive optical element that diffracts the part and takes it out of the second light guide. In this case, light guided by the second light guide can be efficiently extracted outside the second light guide.
上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様または第２の態様において、前記第１導光体の前記第１光出射部に設けられ、前記第１導光体の内部を反射により導光した光の少なくとも一部を回折させて前記第１導光体の外部に取り出す第４回折光学素子を有することが好ましい。この場合には、第１導光体によって導光される光を効率よく第１導光体の外部に取り出すことが可能となる。 1st aspect or 2nd aspect of the optical device which concerns on this invention mentioned above WHEREIN: It is provided in the said 1st light emission part of a said 1st light guide, and the inside of the said 1st light guide is guided by reflection. It is preferable to have a fourth diffractive optical element that diffracts at least a part of the extracted light and extracts the light out of the first light guide. In this case, the light guided by the first light guide can be efficiently taken out of the first light guide.
上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様または第２の態様において、前記反射部材は、前記光入射部の法線方向から見て、前記第１回折光学素子よりも大きいことが好ましい。この場合には、前記第１回折光学素子によって回折されずに前記反射鏡によって反射された光を、より確実に反射回折させることができる。 In the first aspect or the second aspect of the optical device according to the present invention described above, it is preferable that the reflecting member is larger than the first diffractive optical element when viewed from the normal direction of the light incident portion. In this case, the light reflected by the reflecting mirror without being diffracted by the first diffractive optical element can be more reliably reflected and diffracted.
上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様または第２の態様において、回折させる第５回折光学素子を有するようにしてもよい。この場合には、前記反射鏡によって反射された光を、より確実に反射回折させることができる。 In the first aspect or the second aspect of the optical device according to the present invention described above, a fifth diffractive optical element to be diffracted may be provided. In this case, the light reflected by the reflecting mirror can be more reliably reflected and diffracted.
上述した本発明に係る光学デバイスの第１の態様または第２の態様において、前記第１回折光学素子は、表面レリーフ型の回折格子であることが好ましい。この場合には、所望の波長の光を効率良く回折し、かつ、効率良く反射回折することができる。 In the first aspect or the second aspect of the optical device according to the present invention described above, the first diffractive optical element is preferably a surface relief type diffraction grating. In this case, light of a desired wavelength can be efficiently diffracted and reflected and diffracted efficiently.
本発明に係る光学デバイスの第１の態様において、前記反射部材は、前記導光体の面に蒸着またはスパッタにより形成される反射膜であることが好ましい。この場合には、平面度が高く、精度良く製作される平板状の導光体の表面に反射膜を蒸着またはスパッタにより形成すればよいので、光学デバイスの製造が容易になる。 In the first aspect of the optical device according to the present invention, the reflecting member is preferably a reflecting film formed on the surface of the light guide by vapor deposition or sputtering. In this case, the optical device can be easily manufactured because the reflecting film may be formed by vapor deposition or sputtering on the surface of the flat light guide body with high flatness and high accuracy.
次に、本発明に係る画像表示装置は、上述した本発明に係る光学デバイスと画像光を発する画像形成部とを備える。そのような画像表示装置は、液晶ディスプレイ等の画像形成部やコリメート光学系を備えてもよく、ヘッドマウントディスプレイ等のように観察者の頭部に装着する形態に適合させることができる。 Next, an image display apparatus according to the present invention includes the above-described optical device according to the present invention and an image forming unit that emits image light. Such an image display device may include an image forming unit such as a liquid crystal display and a collimating optical system, and can be adapted to a form mounted on the observer's head such as a head-mounted display.
このように、本発明によれば、ヘッドマウントディスプレイ等のように観察者の頭部に装着する形態の画像表示装置においても、製造上の困難性を解消して製造コストの低廉化を図りつつ、観察者の顔に対するフィッティング性を向上させるとともに、広い画角で明るい画像を得ることができる光学デバイスを得ることができる。 As described above, according to the present invention, even in an image display device that is mounted on the observer's head, such as a head-mounted display, the manufacturing difficulty is reduced and the manufacturing cost is reduced. Further, it is possible to obtain an optical device that can improve the fitting property to the face of the observer and can obtain a bright image with a wide angle of view.
なお、上記本発明に係る画像表示装置において「画像形成部」とは、例えば画像を表示する液晶ディスプレイやレーザー光を走査することにより観察者に画像として認識させるレーザー走査式ディスプレイなどの装置、及び画像表示から出射された画像光を集光及び変換する光学系を含む。 In the image display device according to the present invention, the “image forming unit” refers to, for example, a liquid crystal display that displays an image, a laser scanning display that causes an observer to recognize an image by scanning laser light, and the like. It includes an optical system that collects and converts image light emitted from the image display.
以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る様々な実施の形態を説明する。なお、図面においては、各部の寸法の比率は実際のものとは適宜に異ならせてある。また、以下に説明する実施形態では、本発明の光学デバイスを、観察者の頭部に装着する形態の画像表示装置の一例であるヘッドマウントディスプレイに適用した場合を例に説明するが、かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内に任意に変更可能である。 Hereinafter, various embodiments according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the ratio of dimensions of each part is appropriately changed from the actual one. In the embodiment described below, the optical device of the present invention is described as an example applied to a head-mounted display that is an example of an image display device that is mounted on the head of an observer. The embodiment shows one embodiment of the present invention, and does not limit the present invention, and can be arbitrarily changed within the scope of the technical idea of the present invention.
＜Ａ：第１実施形態＞
（ヘッドマウントディスプレイの全体構成）
図１は、第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１００の全体像の一例を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１００は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、このヘッドマウントディスプレイ１００を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。
<A: First Embodiment>
(Overall configuration of head mounted display)
FIG. 1 is a perspective view showing an example of the entire image of the head mounted
具体的にヘッドマウントディスプレイ１００は、導光体２０と、導光体２０を支持する左右一対のテンプル１０１，１０２と、テンプル１０１，１０２に付加された一対の画像形成装置１１１，１１２とを備える。ここで、図面上において、導光体２０の左側と画像形成装置１１１とを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも画像表示装置として機能する。また、図面上において、導光体２０で右側と画像形成装置１１２とを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも画像表示装置として機能する。
Specifically, the head mounted
このようなヘッドマウントディスプレイ１００の内部構造及び導光体について説明する。図２は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造及び導光体の一例を模式的に示す要部断面図である。図２は、本実施形態に係る左眼用光学系の内部構造及び導光体を示す要部断面図である。図示を省略するが、右眼用光学系の内部構造及び導光体についても、図２に示す左眼用光学系の内部構造及び導光体の左右を反転させた構成となっている。
図３は、図２に示す矢印Ａから導光体を見た平面図である。
The internal structure and light guide of the head mounted
FIG. 3 is a plan view of the light guide seen from the arrow A shown in FIG.
画像形成部１０は、画像表示装置１１と、投射光学系１２とを有する。このうち、画像表示装置１１は、本実施形態では、液晶表示デバイスであり、光源から赤、緑、青の３色を含む光を発生させ、光源からの光を拡散させて矩形断面の光束にして、投射光学系１２に向けて出射する。一方、投射光学系１２は、画像表示装置１１上の各点から出射された画像光を平行状態の光束に変換して、導光体２０に入射させるコリメートレンズである。特に、本実施形態において、画像形成部１０は、広い画角を得るために、パネルに対して垂直な法線方向に対して傾斜されて配置されている。
The
導光体２０の全体的な外観は、図中ＹＺ面に平行に延びる平板状の部材によって形成されている。この導光体２０は、光透過性の樹脂材料等により形成された板状の部材であり、画像形成部１０に対向配置された第１のパネル面２０１、及び第１のパネル面２０１と対向する第２のパネル面２０２を有し、第１のパネル面２０１端部に形成された光入射面２０ａを通じて画像光が入射され、第１のパネル面２０１及び第２のパネル面２０２により、観察者の眼前に形成された光出射面２０ｂへ導光する。
The overall appearance of the
詳述すると導光体２０は、ＹＺ面に平行で画像形成部１０に対向する裏側又は観察側の平面上に、画像形成部１０からの画像光を取り込む光入射部である光入射面２０ａと、画像光を観察者の眼ＥＹに向けて出射させる光出射面２０ｂとを有している。光入射面２０ａには、入射光を入射位置に近い、テンプル１０２側の端面方向に回折させる第１回折光学素子３０ａが設けられ、光出射面２０ｂには、光出射面２０ｂから外部に向けて出射された画像光を回折させて透過させ、虚像光として観察者の眼ＥＹに投射する第２回折光学素子３０ｂが設けられている。
More specifically, the
本実施形態において、第１回折光学素子３０ａと第２回折光学素子３０ｂは、一例として、表面レリーフ型の回折格子を用いており、格子周期は同一となっている。導光体２０は、互いに対向しＹＺ面に対して平行に延びる第１及び第２のパネル面２０１，２０２を有しており、入射側における第１回折光学素子３０ａで回折させた画像光を導光体内で全反射させて、出射側における第２回折光学素子３０ａで回折させた画像光を観察者の眼前に導光する。詳述すると、第１回折光学素子３０ａで回折させた画像光は、先ず、第２のパネル面２０２に入射して全反射され、次いで、第１のパネル面２０１に入射して全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光体２０の出射側（観察者の鼻側）に導かれる。出射側に導かれた画像光は、光出射面２０ｂの第２回折光学素子３０ｂで回折された後、眼ＥＹに向けて出射される。
In the present embodiment, as an example, the first diffractive
なお、第１及び第２のパネル面２０１，２０２には反射コートを施さず、両パネル面２０１，２０２に対して外界側から入射する外界光が、高い透過率で導光体２０を通過するようにしてもよい。これにより、導光体２０を、外界像の透視が可能なシースルータイプとすることができる。
It should be noted that the first and second panel surfaces 201 and 202 are not provided with a reflective coating, and external light incident on the panel surfaces 201 and 202 from the external side passes through the
本実施形態においては、導光体２０の光入射面２０ａに対向する面に、反射膜４０が蒸着されている。反射膜４０には、一例として、アルミニウムを主体とした成分で形成される。反射膜４０は、図３に示すように、第１回折光学素子３０ａを覆うように第１回折光学素子３０ａよりも大きな領域に形成されている。具体的には、図２および図３に示すように、反射膜４０は、反射膜４０の左側端部が導光体２０の左側端部に近い位置にあり、反射膜４０の右側端部が第１回折光学素子３０ａの右側端部よりも導光体２０の中央部側に位置するような大きさ有し、このように配置されている。図２に示すように、光源である画像形成部１０が左寄りに位置しているので、第１回折素子３０ａにより回折される光Ｌ２とは逆方向に回折される光Ｌ３や、第１回折素子３０ａにより回折されない光には、入射面の法線に対して右寄りに傾斜するものが存在する。また、入射光Ｌ１は角度分布を有しているため、図２の光Ｌ３よりもさらに右寄りに傾斜した光が存在する。その結果、第１回折素子３０ａの右端を通過した光は右寄りにはみ出すことになるが、本実施形態の反射膜４０は、上述したような大きさと配置になっているので、第１回折素子３０ａの右端を通過した光を確実に反射させ、第１回折光学素子３０ａによって回折されずに導光体２０の第２のパネル面２０２を透過しようとする光を、効率よく導光体２０の内部に反射させることができる。導光体２０の内部に取り込むことが可能となる。なお、本実施形態では、光源としての画像形成部１０は、図２に示すように左寄りに配置しているが、図２に示す位置よりも右寄りに配置して逆の斜め入射を行うことも可能である。この場合は、反射膜４０は、反射膜４０の左側端部が導光体２０の左側端部に近い位置となるような大きさ有し、このような位置関係となるように配置してもよい。
In the present embodiment, the
図２に示すように、第１回折光学素子３０ａに対して入射する画像光Ｌ１は、第１回折光学素子３０ａによって導光体２０の内部側に回折される＋１次回折光Ｌ２と、＋１次回折光とは逆方向に回折される−１次回折光、あるいは、回折されない非回折光などの光Ｌ３とに分けられる。
As shown in FIG. 2, the image light L1 incident on the first diffractive
−１次回折光や非回折光などの光Ｌ３は、導光体２０の光入射面２０ａに対向する面側に進むが、この光入射面２０ａに対向する面には、反射膜４０が設けられているため、反射膜４０によって反射され、再び第１回折光学素子３０ａに入射する光Ｌ４となる。
The light L3 such as the −1st order diffracted light or non-diffracted light travels to the surface facing the
回折光学素子によって反射回折される角度は、回折格子の格子周期と入射光の波長で定められる。したがって、反射膜４０によって反射される光は、＋１次回折光Ｌ２と同じ波長なので、第１回折光学素子３０ａによって反射回折される反射回折光Ｌ５は、＋１次回折光Ｌ２と同じ角度で導光体２０の内部に導光されることになる。
The angle reflected and diffracted by the diffractive optical element is determined by the grating period of the diffraction grating and the wavelength of the incident light. Therefore, since the light reflected by the
以上のように、本実施形態によれば、導光体２０の光入射面２０ａに対向する面に、反射膜４０を形成したことにより、第１回折光学素子３０ａにより回折される＋１次回折光の他に、反射膜４０によって反射された後に第１回折光学素子３０ａにより反射回折される＋１次反射回折光を導光体２０の内部に入射させ、出射側に導光させることができるので、従来は無駄になっていた非回折光等を有効に活用して、導光体への光の入射効率を向上させることができる。その結果、再生映像を従来よりも明るくすることができる。また、明るさを従来と同じに設定した場合には、省電力化が可能である。
As described above, according to the present embodiment, by forming the
また、本実施形態に用いたような平行板型の導光体は、表面や裏面の平行度が高く、平坦性も良好に製作される。したがって、このような精度良く製作される導光体の面に反射膜を蒸着やスパッタ等により作成するだけで本発明の効果が得られるため、本発明の光学デバイスは製作が容易である。 Moreover, the parallel plate type light guide as used in the present embodiment has a high degree of parallelism on the front surface and the back surface and is manufactured with good flatness. Therefore, the optical device of the present invention is easy to manufacture because the effects of the present invention can be obtained simply by forming a reflective film on the surface of the light guide manufactured with high accuracy by vapor deposition or sputtering.
＜Ｂ：第２実施形態＞
次いで、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、導光体を積層する構成となっているところが第１実施形態と異なる。図４は、本実施形態に係る左眼用光学系の内部構造及び導光体の一例を示す要部断面図である。
<B: Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described. This embodiment is different from the first embodiment in that the light guide is stacked. FIG. 4 is a cross-sectional view of the main part showing an example of the internal structure of the left-eye optical system and the light guide according to the present embodiment.
本実施形態においては、導光体２０の他に、導光体２０とほぼ平行に配置された導光体２１を備えている。導光体２１は、導光体２０と同様に、図中ＹＺ面に平行に延び、ガラスあるいは光透過性の樹脂材料等により形成された板状の部材である。
In the present embodiment, in addition to the
導光体２１の光入射面２１ａには、入射光を光出射面２１ｂ側に回折させる第３回折光学素子３０ｃが設けられ、光出射面２１ｂには、光出射面２１ｂから外部に向けて出射された画像光を回折させて透過させ、導光体２０を介して虚像光として観察者の眼ＥＹに投射する第４回折光学素子３０ｄが設けられている。
The
本実施形態においては、第１回折光学素子３０ａ、第２回折光学素子３０ｂ、第３回折光学素子３０ｃ、及び第４回折光学素子３０ｄは、一例として、いずれも表面レリーフ型の回折格子である。
In the present embodiment, as an example, the first diffractive
第１回折光学素子３０ａ及び第２回折光学素子３０ｂは、短い波長の光、つまり、青色光及び緑色光を回折するように設定されており、第３回折光学素子３０ｃ及び第４回折光学素子３０ｄは、長い波長の光、つまり、緑色光及び赤色光を回折するように設定されている。
The first diffractive
導光体２１の光入射面２１ａに対向する面には、反射膜４０が蒸着されている。反射膜４０は、第１実施形態と同様に、アルミニウム等により形成されている。但し、本実施形態においては、導光体２０には反射膜は設けられていない。
A
図４に示すように、第１回折光学素子３０ａに対して入射する波長の短い画像光Ｌ１は、第１回折光学素子３０ａによって導光体２０の内部側に回折される＋１次回折光Ｌ２と、＋１次回折光とは逆方向に回折される−１次回折光、あるいは、回折されない非回折光などの光Ｌ３とに分けられる。
As shown in FIG. 4, the short-wavelength image light L1 incident on the first diffractive
−１次回折光や非回折光などの光Ｌ３は、導光体２０の光入射面２０ａに対向する面側に進み、導光体２０を通過して、導光体２１の光入射面２１ａに設けられた第３回折光学素子３０ｃに入射する。光入射面２１ａに設けられた第３回折光学素子３０ｃは、波長の長い画像光を回折するように設定されているため、第３回折光学素子３０ｃに入射した光Ｌ３は、第３回折光学素子３０ｃではほとんど回折されずに光入射面２１ａに対向する面側に進む。この光入射面２１ａに対向する面には、反射膜４０が設けられているため、光Ｌ３は反射膜４０によって反射されて反射光Ｌ４となり、再び第３回折光学素子３０ｃに入射し、第３回折光学素子３０ｃではほとんど回折されずに再び導光体２０に入射して光入射面２１ａに進む。回折光学素子によって反射回折される角度は、回折格子の格子周期と入射光の波長で定められる。したがって、反射膜４０によって反射される光Ｌ４は、＋１次回折光Ｌ２と同じ波長なので、第１回折光学素子３０ａによって反射回折される反射回折光Ｌ５は、＋１次回折光Ｌ２と同じ角度で導光体２０の内部に導光されることになる。
The light L3 such as −1st order diffracted light or non-diffracted light travels to the surface facing the
また、図４に示すように、第１回折光学素子３０ａに対して入射する波長の長い画像光Ｌ１０は、第１回折光学素子３０ａではほとんど回折されずに導光体２０を通過する光Ｌ１１となり、導光体２１の光入射面２１ａに設けられた第３回折光学素子３０ｃに入射する。第３回折光学素子３０ｃに入射する光Ｌ１１は、導光体２１の内部側に回折される＋１次回折光Ｌ１２と、＋１次回折光とは逆方向に回折される−１次回折光、あるいは、回折されない非回折光などの光Ｌ１３とに分けられる。
Further, as shown in FIG. 4, the image light L10 having a long wavelength incident on the first diffractive
−１次回折光や非回折光などの光Ｌ１３は、導光体２１の光入射面２１ａに対向する面側に進み、光入射面２１ａに対向する面に設けられた反射膜４０によって反射されて反射光Ｌ１４となり、再び第３回折光学素子３０ｃに入射する。反射膜４０によって反射される光Ｌ１４は、＋１次回折光Ｌ１２と同じ波長なので、第３回折光学素子３０ｃによって反射回折される反射回折光Ｌ１５は、＋１次回折光Ｌ１２と同じ角度で導光体２１の内部に導光されることになる。
The light L13 such as the −1st order diffracted light or non-diffracted light travels to the surface facing the
以上のように、本実施形態によれば、波長に応じて２つの導光体２０と導光体２１を備え、導光体２０には第１回折光学素子３０ａ、第１回折光学素子３０ｂを設け、導光体２１には第３回折光学素子３０ｃ、第４回折光学素子３０ｄを設けると共に、導光体２１の光入射面２１ａに対向する面に、反射膜４０を形成した。その結果、波長に応じて、回折光学素子によって回折される＋１次回折光の他に、反射膜４０によって反射された後に回折光学素子により反射回折される＋１次反射回折光を導光体２０及び導光体２１の内部に入射させ、出射側に導光させることができるので、従来は無駄になっていた非回折光等を有効に活用して、広い色域にわたって導光体への光の入射効率を向上させることができる。その結果、再生映像を従来よりも明るくすることができる。また、明るさを従来と同じに設定した場合には、省電力化が可能である。
As described above, according to the present embodiment, two
なお、本実施形態においては、２つの導光体を用いる例について説明したが、本発明はこのような例に限定されるものではなく、３つの導光体あるいは４つの導光体等、導光体の数を適宜増やすようにしてもよい。 In this embodiment, an example using two light guides has been described. However, the present invention is not limited to such an example, and three light guides, four light guides, etc. You may make it increase the number of light bodies suitably.
＜Ｃ：第３実施形態＞
次いで、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第２実施形態で用いた導光体２０に短波長反射用のダイクロイックミラー４１を設け、導光体２１に長波長反射用のミラー４２を設けたところが、第２実施形態と異なる。図５は、本実施形態における左眼用光学系の内部構造及び導光体の一例を示す要部断面図である。右眼用光学系の内部構造及び導光体については記載を省略するが、左眼用光学系の内部構造及び導光体の左右を反転させた構造になっている。
<C: Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the
導光体２０の光入射面２０ａに対向する面に設けられた短波長反射用のダイクロイックミラー４１は、波長の短い光を反射させると共に、波長の長い光を透過させる性質を有している。また、導光体２１の光入射面２１ａに対向する面に設けられた長波長反射用のミラー４２は、波長の長い光を反射させる性質を有している。
The
このように構成することにより、波長の短い光が導光体２１側の第３回折光学素子３０ｃや導光体２１に入射することがなく、導光体２０内に導光されるので、各導光体における光量の損失や、波面の劣化がなく、より好ましい画像を形成することができる。
By configuring in this way, light having a short wavelength is guided into the
＜Ｄ：変形例＞
本発明は以上に説明した各実施形態に限定されるものではなく、適宜変形することが可能である。また、各実施形態を適宜組み合わせたり、各実施形態と各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
<D: Modification>
The present invention is not limited to the embodiments described above, and can be modified as appropriate. Moreover, it is also possible to combine each embodiment suitably, or to combine each embodiment and each modification suitably.
（変形例１）
上述した各実施形態においては、回折光学素子として、表面レリーフ型の回折格子を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、体積ホログラム、ブレーズ型の回折格子等を用いることも可能である。また、出射面においては回折光学素子を設けなくてもよく、あるいはプリズム等の光学素子を用いることも可能である。また、各実施形態においては、反射膜を用いる例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、反射型の体積ホログラム、あるいは、プリズム、コーナーキューブ等の再帰反射性の光学素子を用いることができる。
(Modification 1)
In each of the embodiments described above, the surface relief type diffraction grating is used as the diffractive optical element. However, the present invention is not limited to this, and a volume hologram, a blazed diffraction grating, or the like can also be used. It is. Further, it is not necessary to provide a diffractive optical element on the exit surface, or an optical element such as a prism can be used. In each embodiment, an example using a reflective film has been described. However, the present invention is not limited to this, and a reflective volume hologram, or a retroreflective optical element such as a prism or a corner cube. Can be used.
（変形例２）
上述した各実施形態では、光入射面に配置した第１回折光学素子３０ａまたは第３回折光学素子に光を入射すると共に、第１回折光学素子３０ａまたは第３回折光学素子により、反射膜またはダイクロイックミラー等で反射された光を反射回折させる例について説明した。しかし、本発明はこのような例に限定されるものではなく、反射回折用の回折光学素子を、入射用の回折光学素子と別体に設けるようにしてもよい。また、反射膜、ダイクロイックミラー、及びミラーは、導光体と一体に形成したが、導光体とは別体に設けるようにしてもよい。
(Modification 2)
In each of the above-described embodiments, light is incident on the first diffractive
１０…画像形成部、１１…画像表示装置、１２…投射光学系、２０，２１…導光体、２０ａ，２１ａ…光入射面、２０ｂ，２１ｂ…光出射面、３０ａ…第１回折光学素子、３０ｂ…第２回折光学素子、３０ｃ…第３回折光学素子、３０ｄ…第４回折光学素子、４０…反射膜、４１…ダイクロイックミラー、４２…ミラー、１００…ヘッドマウントディスプレイ、１００Ａ…第１表示装置、１００Ｂ…第２表示装置、１０１，１０２…テンプル、１１１，１１２…画像形成装置。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記第１導光体の前記第１光入射部に設けられ、入射光の一部を回折させて前記第１導光体の内部を反射により導光させる第１回折光学素子と、
前記第１導光体の前記第１光入射部と反対側の面に設けられた反射部材と、を有し、
前記反射部材は、前記入射光のうち前記第１回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部が、前記反射部材で反射した後前記第１回折光学素子で回折し、前記第１導光体の内部を反射により導光するように配置されていることを特徴とする光学デバイス。 A first light guide including a first light incident portion and a first light emitting portion;
A first diffractive optical element that is provided in the first light incident portion of the first light guide and that diffracts part of incident light and guides the inside of the first light guide by reflection;
A reflective member provided on a surface opposite to the first light incident portion of the first light guide,
The reflecting member diffracts at least part of the incident light that is not diffracted by the first diffractive optical element after being reflected by the reflecting member and then diffracted by the first diffractive optical element. An optical device arranged to guide the inside by reflection.
第２光入射部と第２光出射部とを備えた第２導光体と、
前記第１導光体の前記第１光入射部に設けられ、入射光の一部を回折させて前記第１導光体の内部を反射により導光させる第１回折光学素子と、
前記第２導光体の前記第２光入射部に設けられ、前記入射光のうち前記第１回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部を回折させて前記第２導光体の内部を反射により導光させる第２回折光学素子と、
前記第２導光体の前記第２光入射部と反対側の面に設けられた反射部材と、を有し、
前記第１導光体の内部を反射により導光する光は、前記第２導光体の内部を反射により導光する光と異なる分光分布を備え、
前記反射部材は、前記入射光のうち前記第２回折光学素子で回折されない光の少なくとも一部が、前記反射部材で反射した後前記第２回折光学素子で回折し、前記第２導光体の内部を反射により導光するように配置されていることを特徴とする光学デバイス。 A first light guide including a first light incident portion and a first light emitting portion;
A second light guide including a second light incident portion and a second light emitting portion;
A first diffractive optical element that is provided in the first light incident portion of the first light guide and that diffracts part of incident light and guides the inside of the first light guide by reflection;
Provided at the second light incident portion of the second light guide, and diffracts at least part of the incident light that is not diffracted by the first diffractive optical element and reflects the inside of the second light guide. A second diffractive optical element guided by
A reflective member provided on a surface opposite to the second light incident portion of the second light guide,
The light that guides the inside of the first light guide by reflection has a different spectral distribution from the light that guides the inside of the second light guide by reflection,
The reflecting member diffracts at least part of the incident light that is not diffracted by the second diffractive optical element after being reflected by the reflecting member and then diffracted by the second diffractive optical element. An optical device arranged to guide the inside by reflection.
前記第１導光体と前記第２導光体との間にダイクロイックミラーを有することを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 2.
An optical device comprising a dichroic mirror between the first light guide and the second light guide.
前記第２導光体の前記第２光出射部に設けられ、前記第２導光体の内部を反射により導光した光の少なくとも一部を回折させて前記第２導光体の外部に取り出す第３回折光学素子を有することを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 2 or 3,
Provided at the second light emitting portion of the second light guide, and diffracts at least part of the light guided by reflection inside the second light guide and takes it out of the second light guide. An optical device comprising a third diffractive optical element.
前記第１導光体の前記第１光出射部に設けられ、前記第１導光体の内部を反射により導光した光の少なくとも一部を回折させて前記第１導光体の外部に取り出す第４回折光学素子を有することを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to any one of claims 1 to 4,
Provided at the first light emitting portion of the first light guide, and diffracts at least a part of the light guided by reflection inside the first light guide and takes it out of the first light guide. An optical device comprising a fourth diffractive optical element.
前記反射部材は、前記光入射部の法線方向から見て、前記第１回折光学素子よりも大きいことを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to any one of claims 1 to 5,
The optical device, wherein the reflecting member is larger than the first diffractive optical element when viewed from a normal direction of the light incident portion.
前記第１回折光学素子は、表面レリーフ型の回折格子である、ことを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to any one of claims 1 to 6 ,
The optical device according to claim 1, wherein the first diffractive optical element is a surface relief type diffraction grating.
前記反射部材は、前記導光体の面に蒸着またはスパッタにより形成される反射膜である、
ことを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to any one of claims 1 to 7 ,
The reflective member is a reflective film formed on the surface of the light guide by vapor deposition or sputtering.
An optical device characterized by that.
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