WO2016143246A1 - 画像表示装置 - Google Patents

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WO2016143246A1
WO2016143246A1 PCT/JP2016/000510 JP2016000510W WO2016143246A1 WO 2016143246 A1 WO2016143246 A1 WO 2016143246A1 JP 2016000510 W JP2016000510 W JP 2016000510W WO 2016143246 A1 WO2016143246 A1 WO 2016143246A1
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light
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optical system
display device
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米窪 政敏
横山 修
武田 高司
光隆 井出
大輔 石田
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セイコーエプソン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an image display device.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an image display device capable of achieving both a pupil enlargement function and a view angle enlargement function.
  • the image generating unit that emits the first image light, and the second image light by expanding the diameter of the light beam included in the first image light from the image generating unit.
  • a first condensing optical system for condensing the second image light to form an intermediate image, and condensing the light from the intermediate image to form a virtual image on the eyes of the observer
  • a second condensing optical system to generate, and in a plane including at least the image generation unit, the pupil enlarging element, and the eyes of the observer, the maximum emission angle of the first image light is
  • an image display device in which the diameter of the light beam included in the second image light is smaller than the maximum field angle of the virtual image and larger than the diameter of the light beam included in the virtual image.
  • the relationship between the diameter of the light beam contained in the virtual image when entering the observer's pupil, that is, the exit pupil and the angle of view, is that the size of the exit pupil is reduced when the view angle of the virtual image is increased. is doing.
  • the diameter of the light beam included in the second image light is larger than that of the exit pupil, the reduction due to the expansion of the field angle of the virtual image is taken into consideration.
  • the size of the light beam (exit pupil) included in the is set. Therefore, even if the diameter of the light beam included in the virtual image is reduced by expanding the angle of view of the virtual image, an exit pupil having a predetermined size can be obtained. Therefore, it is possible to provide an image display device that has both a pupil enlargement function and a view angle enlargement function.
  • the angular magnification defined by the maximum angle of view of the virtual image with respect to the maximum emission angle of the first image light may be 1 or more and 2.5 or less. At this time, the angular magnification is more preferably 1.1 or more and 1.7 or less. According to this configuration, an increase in the angular magnification more than necessary prevents an increase in size of the pupil enlarging element and the first condensing optical system, so that the image display device itself can be downsized.
  • the angular magnification obtained by dividing the substantial focal length of the first condensing optical system by the substantial focal length of the second condensing optical system is 1 or more and 2.5 or less. It is good also as a structure.
  • the angular magnification is more preferably 1.1 or more and 1.7 or less. According to this configuration, an increase in the angular magnification more than necessary prevents an increase in size of the pupil enlarging element and the first condensing optical system, so that the image display device itself can be downsized.
  • the pupil enlarging element has an enlargement factor so that the diameter of the light beam included in the second image light is equal to or larger than the size of the light beam included in the virtual image multiplied by the angular magnification. It is good also as a structure which has set. According to this configuration, since the size of the second image light is set in consideration of the reduction due to the high angle of view, the image light can be made larger than the predetermined exit pupil.
  • the image generation unit may be an optical scanning device that scans light emitted from a light source unit to form the first image light.
  • an image display apparatus that achieves a reduction in size and an increase in the angle of view by providing both a pupil expansion function and a field angle expansion function is provided.
  • the image generation unit may include an electro-optical device and a collimator lens. According to this configuration, there is provided an image display device that achieves a reduction in size and an increase in the angle of view by making the pupil enlargement function and the angle of view enlargement function compatible in the method of forming image light by the electro-optical device.
  • the pupil enlarging element may be an optical element in which a plurality of light guide members are joined via a half mirror layer. According to this configuration, image light can be simply and reliably enlarged.
  • the pupil enlarging element may be an optical element including a diffractive element. According to this configuration, image light can be simply and reliably enlarged.
  • the first condensing optical system is an optical system including at least positive power and negative power, and may have a configuration having positive power as a whole. According to this configuration, an intermediate image of image light can be favorably formed.
  • the second condensing optical system may be a concave mirror having positive power in a plane including at least the image generation unit, the pupil enlarging element, and the observer's eye.
  • the exit pupil can be formed in the vicinity of the pupil of the observer's eye by returning the light from the intermediate image to substantially parallel light. Therefore, a virtual image having a predetermined angle of view can be generated far away.
  • the second condensing optical system is a reflection hologram having a positive power in a plane including at least the image generation unit, the pupil enlarging element, and the eyes of the observer. It is good. Since the hologram can make the incident angle and the reflection angle different, it is possible to obtain a pupil enlargement effect that enlarges the cross section of the reflected light beam. Therefore, the diameter of the light beam included in the second image light can be reduced by an amount corresponding to the pupil enlargement effect by the hologram. Accordingly, the pupil enlarging element and the first optical system can be reduced in size by the amount that the diameter of the light beam included in the second image light is reduced, so that the entire apparatus can be reduced in size.
  • the original size of the light beam diameter included in the second image light is ensured, even if the angular magnification is increased, it is included in a sufficiently large virtual image due to the hologram pupil expansion effect. A luminous flux can be obtained. Therefore, it is possible to increase the angle of view.
  • the size and angular magnification of the light beam included in the second image light are not changed, the light beam included in the virtual image can be made larger by the amount of the pupil enlargement effect of the hologram. It can improve visibility to people.
  • the top view which shows the structure of each part of a display apparatus. It is a figure for demonstrating a pupil expansion function. Sectional drawing which shows schematic structure of a pupil expansion element. The figure for demonstrating a view angle expansion function. The figure for demonstrating the pupil expansion function in HMD of 2nd Embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a state in which a user wears the HMD of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view of the HMD of this embodiment.
  • the HMD 300 of the present embodiment is used by being worn on the head as if the user is wearing glasses.
  • the HMD 300 of this embodiment is a see-through type (transmission type) HMD.
  • the user can visually recognize an image generated by the image display unit, and can also visually recognize an external image such as a scenery outside the HMD 300.
  • the HMD 300 includes a display device 100 having a shape similar to glasses, and a control device (controller) 200 having a size that can be held by a user's hand. .
  • the display device 100 and the control device 200 are connected so that they can communicate with each other by wire or wirelessly.
  • each of the left-eye image display unit 110A and the right-eye image display unit 110B constituting the display device 100 and the control device 200 are connected to each other via a cable 150 so as to be able to communicate with each other via an image signal. And communicate control signals.
  • the display device 100 includes a main frame (device main body) 120, a left-eye image display unit 110A, and a right-eye image display unit 110B.
  • the control device 200 includes a display unit 210 and an operation button unit 250.
  • the display unit 210 displays various information and instructions given to the user, for example.
  • the main frame 120 includes a pair of temple portions 122A and 122B for a user to put on his ear.
  • the main frame 120 is a member that supports the left-eye image display unit 110A and the right-eye image display unit 110B.
  • FIG. 3 is a plan view showing the configuration of each part of the display device 100. Further, FIG. 3 illustrates a state in which the user wearing the display device 100 is viewed from above.
  • the right-eye image display unit 110B and the left-eye image display unit 110A have the same configuration, and the components in both the image display units are arranged symmetrically. Therefore, in the following, the right-eye image display unit 110B will be described in detail as simply the image display unit 110, and the description of the left-eye image display unit 110A will be omitted.
  • the image display unit 110 includes an image generation unit 11, a pupil enlarging element 12, a first condensing optical system 13, and a second condensing optical system 14.
  • the image generation unit 11 emits light including image information.
  • the pupil enlarging element 12 expands the beam diameter of light emitted from the optical scanning device 17 described later.
  • the image generation unit 11 includes a light source optical system 15, a mirror 16, and an optical scanning device 17.
  • the light source optical system 15 emits light generated by an internal semiconductor laser.
  • the mirror 16 reflects the light emitted from the light source optical system 15 and turns back the optical path of the light.
  • the optical scanning device 17 scans the light reflected by the mirror 16.
  • the light source optical system 15 includes a light source unit 25, a pickup lens 26, an optical fiber 27, and a collimator lens 28.
  • the light source unit 25 includes a plurality of solid light sources (not shown) including, for example, a semiconductor laser that emits red light, a semiconductor laser that emits green light, and a semiconductor laser that emits blue light. Each color light emitted from each semiconductor laser is modulated in accordance with an image signal, and each modulated color light is synthesized and emitted from the light source unit 25 as image light.
  • the pickup lens 26 transmits the light emitted from the light source unit 25 to a subsequent optical fiber 27.
  • the optical fiber 27 guides light incident from the light source unit 25 through the pickup lens 26 to the subsequent optical system.
  • the collimator lens 28 collimates the light incident from the optical fiber 27.
  • the light emitted from the light source optical system 15 is reflected by the mirror 16 so that the optical path is turned back and guided to the optical scanning device 17.
  • the optical scanning device 17 includes, for example, a MEMS mirror (not shown).
  • the optical scanning device 17 changes the attitude of the MEMS mirror in accordance with the modulation operation of the light source optical system 15 to scan light two-dimensionally. In this way, the optical scanning device 17 emits image light including image information.
  • the head-mounted display has been required to have a wider angle of view with a larger angle of view. Further, since the head mounted display is used while being mounted on the observer's head, further miniaturization is required.
  • the apparatus configuration is reduced in size by generating image light using the optical scanning device 17 having a MEMS mirror.
  • the performance of the MEMS mirror is determined by the mirror diameter and the mirror swing angle, and there is a trade-off relationship in which the swing angle decreases as the mirror diameter increases.
  • the design value in which the mirror diameter and the mirror swing angle are balanced is approximately 10 degrees with a mirror diameter of 1 mm and a swing angle of a half angle of view of the ray angle.
  • the optical scanning device 17 of this embodiment employs a MEMS mirror having a diameter of 1 mm and a swing angle of 10 degrees with a half angle of view.
  • the size of the exit pupil is required to be about 6 to 8 mm in consideration of the size of the pupil of the pupil of the observer's eye, the movement of the eyeball, and individual differences in the eye width.
  • the diameter of the MEMS mirror is 1 mm
  • the light from the MEMS mirror is expanded to 6 mm or more by the pupil enlarging element 12.
  • the half angle of view of the MEMS mirror when the half angle of view of the MEMS mirror is 10 degrees, it corresponds to a virtual image size corresponding to about 40 inches and an aspect of 16: 9 at 2.5 m ahead. Therefore, in order to realize a higher angle of view with a wider angle of view, it is necessary to increase (expand) the angle of view by the optical system.
  • the angle of view there is a contradictory relationship between the angle of view and the size of the exit pupil. For example, when the angle of view is increased, the size of the exit pupil is reduced.
  • the HMD 300 of the present embodiment can achieve both the pupil enlargement function and the view angle enlargement function by adopting the configuration described later.
  • the pupil enlarging function in the HMD 300 of this embodiment will be described.
  • the pupil enlarging function in the plane including the main frame 120 that is, the image generating unit 11 and the pupil enlarging element 12
  • the eyes of the observer M in the plane shown in FIG. 3
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the pupil enlargement function.
  • FIG. 4 shows only the light beam at the center of the image (virtual image).
  • the first condensing optical system 13 is illustrated as a single lens for easy viewing of the drawing.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the pupil enlargement function.
  • FIG. 4 shows only the light beam at the center of the image (virtual image).
  • the first condensing optical system 13 is illustrated as a single lens for easy viewing of the drawing.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the pupil enlargement function.
  • FIG. 4 shows only the light beam at the center of the image (virtual image).
  • the first condensing optical system 13 is illustrated as a single lens for easy viewing of the drawing.
  • the size of the first image light H1 that is the light emitting portion of the MEMS mirror 18 (corresponding to the exit from which the image light is emitted) is R1
  • the light emitting portion of the pupil enlarging element 12 (after enlargement) R2 is the size of the second image light H2 that corresponds to the exit from which the image light is emitted, that is, the diameter of the light beam included in the image light when entering the pupil of the observer M, that is, the exit pupil H
  • the size is R3.
  • the light emitted from the light source optical system 15 is collimated by the collimator lens 28 to become parallel light.
  • the collimated light constitutes image light by changing the angle by the MEMS mirror 18 of the optical scanning device 17.
  • the image light whose angle has been converted by the MEMS mirror 18 enters the pupil enlarging element 12.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the pupil enlarging element 12.
  • the pupil enlarging element 12 has a plurality of parallel flat plates (light guides) 24a and a plurality of half mirrors 24b.
  • the plurality of parallel flat plates 24a are joined via the half mirror 24b.
  • the pupil enlarging element 12 is cut such that a pair of end faces are inclined with respect to the thickness direction of the parallel flat plate 24a, and the end faces respectively enter a light incident end face 12a for allowing image light from the optical scanning device 17 to enter.
  • a light exit end face 12b that emits image light after being enlarged is configured.
  • the horizontal cross-sectional shape of the pupil enlarging element 12 is a trapezoid.
  • the image light incident from the light incident end face 12a is repeatedly transmitted and reflected by the plurality of half mirrors 24b, and then emitted from the light exit end face 12b.
  • the width of the image light emitted from the light exit end face 12b is enlarged relative to the width of the image light incident on the light incident end face 12a. Further, the incident angle of the image light on the light incident end face 12a matches the emission angle of the image light from the light emitting end face 12b.
  • image light incident perpendicularly to the light incident end face 12a is emitted perpendicularly from the light exit end face 12b, and image light incident at a predetermined incident angle on the light incident end face 12a is emitted from the light exit end face 12b.
  • the light is emitted at an emission angle equal to the incident angle. Accordingly, in FIG. 3, when the image light passes through the pupil enlarging element 12, the optical path is bent toward the shorter side of the trapezoid.
  • the first condensing optical system 13 is an optical system including at least a positive power and a negative power, and has a positive power as a whole.
  • the 1st condensing optical system 13 has the 1st lens 21, the 2nd lens 22, and the 3rd lens 23 in order from the light-incidence side.
  • the first condensing optical system 13 is composed of three lenses, the first lens 21, the second lens 22, and the third lens 23, but the number of correction lenses is particularly limited. Not.
  • the second condensing optical system 14 condenses light from the intermediate image to form an exit pupil H in the vicinity of the pupil of the eye ME of the observer M, and transmits a part of the external light.
  • the second condensing optical system 14 is composed of a half mirror (concave mirror) having positive power in a plane including at least the main frame 120 (see FIG. 3) and the eye ME of the observer M.
  • the image light magnified by the pupil enlarging element 12 is condensed by the first condensing optical system 13 to form an intermediate image GM in front of the second condensing optical system 14, and then the second condensing optical system.
  • the exit pupil H is formed in the vicinity of the pupil of the eye ME of the observer M by being reflected by the system 14. Since the second condensing optical system 14 condenses the light from the intermediate image GM and returns it as almost parallel light, the observer M can visually recognize the virtual image G1 in the distance.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the angle of view enlargement function.
  • FIG. 6 shows only the center of the image (virtual image) and the central rays at both ends.
  • the first condensing optical system 13 is shown as a single lens for easy viewing of the drawing.
  • MEMS mirror 18 is incident at ⁇ 10 degree angle theta 1 of the first image light H1 by rotating the pupil enlarging element 12.
  • the pupil enlarging element 12 does not perform angle conversion of the first image light H1. Therefore, the maximum emission angle ⁇ 2 of the second image light H2 after magnification in the pupil enlarging element 12 is similarly ⁇ 10 degrees.
  • the 1st condensing optical system 13 and the 2nd condensing optical system 14 comprise the afocal optical system AF.
  • the angular magnification B are shown in FIG. 6, it is also possible define a ratio between the maximum emission angle theta 2 and the maximum angle theta 3 of the virtual image G1 of the first image light H1.
  • Maximum angle theta 3 of the virtual image G1 is a value obtained by multiplying the angular magnification B to the maximum emission angle theta 2 of the second image light H2. Therefore, in order to obtain the angle of view enlargement function, it is necessary to set the angular magnification B to be larger than 1.
  • the lower limit value of the angular magnification B is 1.1.
  • the angular magnification B is set to 1.1 or more, for example, an angle of view equivalent to 40 inches can be expanded to an angle of view equivalent to 44 inches or more.
  • the size R2 of the second image light H2 also increases. For this reason, if the angular magnification B is increased more than necessary, the pupil enlarging element 12 is also increased in size, and the entire apparatus including the pupil enlarging element 12 may be increased in size.
  • the size R2 of the second image light H2 must be 18 mm.
  • the pupil magnification factor of the pupil magnification element 12 needs to be 18 times, and the pupil magnification element 12 becomes very large.
  • the first condensing optical system 13 needs to be larger than 18 mm, and the HMD 300 is increased in size. From the above circumstances, there is an upper limit for the angular magnification B that allows the angle of view to be enlarged while the apparatus is downsized.
  • the size R2 of the second image light H2 (corresponding to the exit of the pupil enlarging element 12) is preferably about 10 mm. That is, if the magnitude R1 of the first image light H1 (corresponding to the exit of the MEMS mirror 18) is 1 mm, the pupil magnification factor of the pupil magnification element 12 is 10 times.
  • the pupil enlarging element 12 sets the pupil enlarging ratio so that the size R2 of the second image light H2 is equal to or larger than the size of the predetermined exit pupil H (6 mm) multiplied by the angular magnification B. is doing. Therefore, when the size R2 of the second image light H2 is about 10 mm, the upper limit of the angular magnification B may be set to 1.7 times or less.
  • the upper limit of the substantial size R2 of the second image light H2 is about 15 mm for downsizing the device configuration.
  • the pupil magnification factor of the pupil magnification element 12 is 15 times, and the upper limit of the angular magnification B may be set to 2.5 or less.
  • the angular magnification B of the afocal optical system AF is set to be 1 or more and 2.5 or less, more preferably 1.1 or more and 1.7 or less.
  • the maximum angle theta 3 of the virtual image G1 is a ⁇ 15 ° multiplied by the angular magnification B to the maximum emission angle theta 2 of the second image light H2. That is, the first maximum emission angle theta 2 maximum field angle theta 3 of the virtual image G1 than the image light H1 of the image generation unit 11 is increased.
  • angular magnification B when the angular magnification B is set to 1.0 (when the maximum emission angle ⁇ 2 ( ⁇ 10 degrees) does not change), only a virtual image size corresponding to an aspect of 16: 9 is about 40 inches 2.5 meters away. If the angular magnification B is 1.5, a virtual image size equivalent to about 60 inches and an aspect ratio of 16: 9 can be obtained 2.5 meters away.
  • the HMD 300 of the present embodiment it is possible to obtain an angle-of-view enlargement function for enlarging the angle of view of the virtual image G1.
  • the size R2 of the second image light H2 is reduced at a rate of the reciprocal (1 / angle magnification B) of the angle magnification B (1.5 times). Therefore, the second image light H2 is about 6.6 mm at the pupil position of the observer M. According to this, even if the influence of the aberration of the actual afocal optical system AF is taken into consideration, it is possible to ensure about 6 mm as the size R3 of the exit pupil H.
  • the HMD 300 of the present embodiment includes the afocal optical system AF in which the angular magnification B is set to 1 or more and 2.5 or less (more preferably 1.1 or more and 1.7 or less), and
  • the size R2 of the second image light H2 is made larger than the size R3 of the exit pupil H.
  • the size R1 of the first image light H1 is 1 mm (corresponding to the diameter of the MEMS mirror 18)
  • the size R2 of the second image light H2 is 10 mm
  • R3 is 6 mm or more.
  • the maximum emission angle theta 2 of the first image light H1 is 10 ° ⁇
  • maximum angle theta 3 virtual image G1 becomes 15 degrees ⁇ .
  • the size of the exit pupil H is set in consideration of the reduction due to the expansion of the angle of view of the virtual image G1. Therefore, even if the pupil diameter is reduced by expanding the angle of view of the virtual image G1, an exit pupil H having a predetermined size (6 mm or more) can be obtained.
  • the pupil enlarging element 12 is not increased in size, and the entire apparatus can be reduced in size. Therefore, the HMD 300 that is downsized while providing both the pupil enlargement function and the view angle enlargement function is provided.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a pupil enlargement function in the HMD 301 of the present embodiment.
  • FIG. 7 shows only the light beam at the center of the image (virtual image).
  • the first condensing optical system 13 is illustrated as a single lens for easy viewing of the drawing.
  • the second condensing optical system 114 is composed of a reflection hologram having a positive power at least in a plane including the main frame 120 (see FIG. 3) and the eyes of the observer M.
  • the second condensing optical system 114 has a volume hologram, and can arbitrarily adjust the incident angle and the reflection angle of light by changing the volume hologram pattern.
  • the second condensing optical system 114 can enlarge the cross section of the reflected light flux by making the incident angle and the reflection angle of the light different. Therefore, when the second condensing optical system 114 reflects the light from the intermediate image, the second condensing optical system 114 increases the second image light H2 compared to the case where it is reflected by the second condensing optical system 14 of the first embodiment. It has a pupil enlargement function.
  • the size R2 of the second image light H2 is reduced to about 8 mm by the amount of the pupil enlargement effect by the hologram. be able to.
  • the pupil enlarging element 12 and the first condensing optical system 13 can be reduced in size by the amount that the second image light H2 is reduced, and thus the entire apparatus can be reduced in size.
  • the present embodiment if the original size (10 mm) is secured as the size R2 of the second image light H2, even if the angular magnification B is increased, the size is sufficiently large due to the hologram pupil expansion effect.
  • the exit pupil H can be obtained. Therefore, it is possible to further increase the angle of view of the virtual image G1.
  • the exit pupil H can be made larger than the pupil enlargement effect of the hologram.
  • the HMD 301 having excellent versatility that can improve the visibility.
  • the technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
  • the case where the optical scanning device 17 is used as the image generation unit 11 is described as an example, but the configuration of the image generation unit is not limited to this.
  • an image generation unit 111 having a display panel (electro-optical device) 112 and a collimator lens 113 may be used.
  • the display panel 112 includes a backlight 112a and a light modulation element 112b.
  • the backlight 112a is composed of a set of light sources for each emission color, such as red, green, and blue.
  • each light source for example, a light emitting diode (LED: Light Emitting Diode) or a laser light source can be used.
  • the light modulation element 112b for example, a liquid crystal display device which is a display element can be used.
  • an organic electroluminescence device (organic EL device) or the like can also be employed.
  • the collimator lens 113 is composed of, for example, a group of projection lenses that project input image light, projects the first image light L emitted from the light modulation element of the display panel 112, and is in a parallel state. Use luminous flux.
  • the first image light L that has passed through the collimator lens 113 includes different angle components.
  • the structure in which a plurality of plane parallel plates 24a and a plurality of half mirrors 24b are stacked as the pupil enlarging element 12 is described as an example, but the present invention is not limited to this.
  • the pupil enlarging element may be formed using an optical element including a plurality of diffraction elements.
  • a pupil enlarging element 212 including a first optical element 213 and a second optical element 214 may be used.
  • the first optical element 213 includes an incident side diffractive portion (diffractive element) 215 disposed on the light incident surface side 213a side, and an output side diffracting portion (diffractive element) 216 disposed on the light exit surface side 213b side.
  • the incident side diffraction unit 215 and the emission side diffraction unit 216 have grating patterns 215a and 216a configured by arranging a plurality of linear gratings.
  • the second optical element 214 includes an incident side diffractive portion 217 disposed on the light incident surface side 214a side, and an output side diffracting portion 218 disposed on the light exit surface side 214b side.
  • the incident side diffractive portion 217 and the exit side diffractive portion 218 have grating patterns 217a and 218a configured by arranging a plurality of linear gratings.
  • the light beam L1 incident on the first optical element 213 is diffracted by the incident-side diffracting unit 215 to increase to three, and is emitted from the emitting-side diffracting unit 216 to be emitted from the second optical element.
  • the light beam of each light L1 incident on the second optical element 214 is diffracted by the incident-side diffracting unit 217 to increase to three, and is emitted from the emitting-side diffracting unit 218.
  • the pupil enlarging element 212 can generate the second image light by enlarging the cross-sectional area of the light by repeatedly diffracting the light.
  • the present invention is not limited thereto. Not.
  • the present invention can also be applied to the case where the pupil enlarging function and the angle of view enlarging function are compatible in a plane orthogonal to the plane including the main frame 120 and the eyes of the observer M (a plane perpendicular to the plane of FIG. 3). .
  • M ... observer, ME ... eye, G1 ... virtual image, H ... exit pupil, H1 ... first image light, H2 ... second image light, L ... first image light, B ... angular magnification, MG ... intermediate Image, F 1 , F 2 ... Focal length, 11, 111 ... Image generation unit, 12, 212 ... Pupil enlargement element, 13 ... First condensing optical system, 14, 114 ... Second condensing optical system, 17 Optical scanning device 24a Parallel plate (light guide material) 24b Half mirror (half mirror layer) 25 Light source unit 112 Display panel (electro-optical device) 113 Collimator lens 120 Main frame (Device main body) 213 ...

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Abstract

 瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立できる、画像表示装置を提供する。 本発明の画像表示装置は、第1の画像光を射出する画像生成部と、画像生成部からの第1の画像光に含まれる光束の径を拡大して第2の画像光とする瞳拡大素子と、第2の画像光を集光して中間像を形成する第1の集光光学系と、中間像からの光を集光して観察者の眼に虚像を生成する第2の集光光学系と、を備え、少なくとも画像生成部と瞳拡大素子と観察者の眼とを含む面内において、第1の画像光の最大射出角度は、虚像の最大画角よりも小さく、第2の画像光に含まれる光束の径は、虚像に含まれる光束の径よりも大きいことを特徴とする。

Description

画像表示装置
 本発明は、画像表示装置に関するものである。
 近年、ヘッドマウントディスプレイ等の装着型表示装置が注目されている。このようなヘッドマウントディスプレイにおいては、観察者の瞳に入射する際の画像光に含まれる光束の径、すなわち射出瞳が観察者の瞳径より小さい場合、観察者の瞳位置が射出瞳からずれないよう位置調整する必要が生じ、非常に使い勝手が悪くなってしまう。そこで、光学素子を用いて、画像光が形成する射出瞳を拡大する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。このように画像光が形成する射出瞳を拡大する機能のことを、以下、瞳拡大機能と称する。
特開平07-134266号公報
 ところで、ヘッドマウントディスプレイにおいてはさらなる高画角化(広角化)が要求されている。ヘッドマウントディスプレイの広角化を実現するには、レンズや凹面鏡等の光学系を用いることで画像光の画角を大きくする必要がある。
 しかしながら、画像光の画角を大きくすると射出瞳の大きさが小さくなってしまう。このように画角拡大と瞳拡大とは相反する関係が成立していた。そこで、瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立できる、新たな技術の提供が望まれている。
 本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立できる、画像表示装置を提供することを目的とする。
 本発明の第1態様に従えば、第1の画像光を射出する画像生成部と、前記画像生成部からの前記第1の画像光に含まれる光束の径を拡大して第2の画像光とする瞳拡大素子と、前記第2の画像光を集光して中間像を形成する第1の集光光学系と、前記中間像からの光を集光して観察者の眼に虚像を生成する第2の集光光学系と、を備え、少なくとも前記画像生成部と前記瞳拡大素子と前記観察者の眼とを含む面内において、前記第1の画像光の最大射出角度は、前記虚像の最大画角よりも小さく、前記第2の画像光に含まれる光束の径は、前記虚像に含まれる光束の径よりも大きい画像表示装置が提供される。
 観察者の瞳に入射する際の虚像に含まれる光束の径、すなわち射出瞳と画角の大きさとの間には、虚像の画角を拡げると射出瞳の大きさが縮小するといった関係が成立している。
 第1態様に係る画像表示装置によれば、第2の画像光に含まれる光束の径が射出瞳よりも大きくなっているので、虚像の画角を拡げたことによる縮小分が考慮されて虚像に含まれる光束(射出瞳)大きさが設定されたものとなっている。そのため、虚像の画角を拡げることで虚像に含まれる光束の径が縮小されたとしても、射出瞳として所定サイズのものを得ることができる。よって、瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立した画像表示装置を提供できる。
 上記第1態様において、前記第1の画像光の最大射出角度に対する前記虚像の最大画角で規定される角倍率は、1以上2.5以下である構成としてもよい。このとき、前記角倍率は、1.1以上1.7以下であるのがより望ましい。
 この構成によれば、角倍率が必要以上に大きくなることで瞳拡大素子や第1の集光光学系の大型化が防止されるので、画像表示装置自体を小型化することができる。
 上記第1態様において、前記第1の集光光学系の実質的な焦点距離を前記第2の集光光学系の実質的な焦点距離で割った角倍率は、1以上2.5以下である構成としてもよい。前記角倍率は、1.1以上1.7以下であるのがより望ましい。
 この構成によれば、角倍率が必要以上に大きくなることで瞳拡大素子や第1の集光光学系の大型化が防止されるので、画像表示装置自体を小型化することができる。
 上記第1態様において、前記瞳拡大素子は、前記第2の画像光に含まれる光束の径が、前記虚像に含まれる光束の径に前記角倍率を乗じた大きさ以上となるように拡大率を設定している構成としてもよい。
 この構成によれば、高画角化によって縮小される分を考慮して第2の画像光の大きさが設定されるので、所定の射出瞳より画像光を大きくすることができる。
 上記第1態様において、前記画像生成部は、光源部から射出された光を走査して前記第1の画像光とする光走査デバイスである構成としてもよい。
 このようにすれば、光走査デバイスにより画像光を形成する方式において、瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立することで小型化および高画角化を実現した画像表示装置が提供される。
 上記第1態様において、前記画像生成部は、電気光学装置と、コリメートレンズとを有する構成としてもよい。
 この構成によれば、電気光学装置により画像光を形成する方式において、瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立することで小型化および高画角化を実現した画像表示装置が提供される。
 上記第1態様において、前記瞳拡大素子は、複数の導光材がハーフミラー層を介して接合された光学素子である構成としてもよい。
 この構成によれば、簡便且つ確実に画像光を拡大することができる。
 上記第1態様において、前記瞳拡大素子は、回折素子を含む光学素子である構成としてもよい。
 この構成によれば、簡便且つ確実に画像光を拡大することができる。
 上記第1態様において、前記第1の集光光学系は、少なくとも正のパワーと負のパワーとを含む光学系であり、全体として正のパワーを有する構成としてもよい。
 この構成によれば、画像光の中間像を良好に形成することができる。
 上記第1態様において、前記第2の集光光学系は、少なくとも前記画像生成部と前記瞳拡大素子と前記観察者の眼とを含む面内において、正のパワーを有する凹面鏡である構成としてもよい。
 この構成によれば、中間像からの光をほぼ平行光に戻して観察者の眼の瞳孔近傍に射出瞳を形成することができる。よって、遠方に所定の画角の虚像を生成することができる。
 上記第1態様において、前記第2の集光光学系は、少なくとも前記画像生成部と前記瞳拡大素子と前記観察者の眼とを含む面内において、正のパワーを有する反射型ホログラムである構成としてもよい。
 ホログラムは入射角と反射角とを異ならせることが可能であるため、反射された光束の断面を拡大する瞳拡大効果を得ることができる。よって、ホログラムによる瞳拡大効果の分だけ、第2の画像光に含まれる光束の径を小さくすることができる。これにより、第2の画像光に含まれる光束の径が小さくなった分だけ、瞳拡大素子および第1の光学系を小型化できるので、装置全体を小型化できる。
 また、例えば、第2の画像光に含まれる光束径の大きさとしてもとの大きさを確保すれば、角倍率を大きくしてもホログラムの瞳拡大効果によって十分な大きさの虚像に含まれる光束を得ることができる。よって、よって、高画角化を図ることができる。
 あるいは、第2の画像光に含まれる光束の大きさ及び角倍率を変化させなければ、ホログラムの瞳拡大効果の分だけより虚像に含まれる光束をより大きくできるので、多様な眼の大きさの人々に対して見易さを向上させることができる。
本実施形態のHMDを装着した状態を示す図。 本実施形態のHMDの斜視図。 表示装置の各部の構成を示す平面図。 瞳拡大機能を説明するための図である。 瞳拡大素子の概略構成を示す断面図。 画角拡大機能を説明するための図。 第2実施形態のHMDにおける瞳拡大機能を説明するための図。 変形例に係る画像生成部の構成を示す図。 変形例に係る瞳拡大素子の構成を示す図。
 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
 なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
 以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
 本実施形態の画像表示装置は、使用者が頭に装着して使用するヘッドマウントディスプレイの一例である。
 以下の説明では、ヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display)を、HMDと略記する。
 図1は、使用者が本実施形態のHMDを装着した状態を示す図である。
 図2は、本実施形態のHMDの斜視図である。
 図1に示すように、本実施形態のHMD300は、使用者が眼鏡を掛ける感覚で頭部に装着して使用するものである。本実施形態のHMD300は、シースルー型(透過型)のHMDである。本実施形態のHMD300によれば、使用者は画像表示部により生成された画像を視認でき、かつ、HMD300の外部の景色等の外界の像も視認できる。
 図2に示すように、HMD300は、眼鏡に類似した形状を有する表示装置100と、使用者が手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御装置(コントローラー)200と、を備えている。表示装置100と制御装置200とは、有線または無線で通信可能に接続される。本実施形態では、表示装置100を構成する左眼用画像表示部110Aおよび右眼用画像表示部110Bの各々と制御装置200とは、ケーブル150を介して有線で通信可能に接続され、画像信号や制御信号を通信する。
 表示装置100は、メインフレーム(装置本体)120と、左眼用画像表示部110Aと、右眼用画像表示部110Bと、を備えている。制御装置200は、表示部210と、操作ボタン部250と、を備えている。表示部210は、例えば使用者に与える各種の情報や指示等を表示する。メインフレーム120は、使用者が耳に掛けるための一対のテンプル部122A,122Bを備えている。メインフレーム120は、左眼用画像表示部110Aと、右眼用画像表示部110Bと、を支持する部材である。
 図3は、表示装置100の各部の構成を示す平面図である。さらに、図3では、表示装置100を装着する使用者を頭上から見た状態を図示している。
 右眼用画像表示部110Bと左眼用画像表示部110Aとは、同様の構成を有しており、双方の画像表示部内の各構成要素は左右対称に配置されている。そのため、以下では、右眼用画像表示部110Bを単に画像表示部110として詳細に説明し、左眼用画像表示部110Aの説明を省略する。
 図3に示すように、画像表示部110は、画像生成部11と、瞳拡大素子12と、第1の集光光学系13と、第2の集光光学系14と、を備えている。画像生成部11は、画像情報を含む光を射出する。瞳拡大素子12は、後述する光走査デバイス17から射出された光のビーム径を拡大する。
 画像生成部11は、光源光学系15と、ミラー16と、光走査デバイス17と、を備えている。光源光学系15は、内部の半導体レーザーで生成された光を射出する。ミラー16は、光源光学系15から射出された光を反射し、光の光路を折り返す。光走査デバイス17は、ミラー16で反射した光を走査する。
 光源光学系15は、光源部25と、ピックアップレンズ26と、光ファイバー27と、コリメーターレンズ28と、を備えている。光源部25は、例えば赤色光を射出する半導体レーザー、緑色光を射出する半導体レーザー、および青色光を射出する半導体レーザーを含む複数の固体光源(図示略)を備えている。各半導体レーザーから射出される各色光は、画像信号に応じて変調され、変調された各色光が合成され、画像光として光源部25から射出される。ピックアップレンズ26は、光源部25から射出した光を後段の光ファイバー27に伝達する。光ファイバー27は、光源部25からピックアップレンズ26を経て入射した光を後段の光学系に導く。コリメーターレンズ28は、光ファイバー27から入射した光を平行化する。
 光源光学系15から射出された光は、ミラー16で反射することで光路が折り返され、光走査デバイス17に導かれる。光走査デバイス17は、例えばMEMSミラー(図示略)を備えている。光走査デバイス17は、光源光学系15の変調動作に合わせてMEMSミラーの姿勢を変化させ、光を2次元的に走査する。このようにして、光走査デバイス17は、画像情報を含む画像光を射出する。
 ところで、近年、ヘッドマウントディスプレイにおいては、より画角を拡大した広画角化が要求されている。また、ヘッドマウントディスプレイは観察者の頭部に装着した状態で使用されるため、さらなる小型化が要求されている。
 本実施形態のHMD300では、MEMSミラーを備えた光走査デバイス17を用いて画像光を生成することで装置構成の小型化を図っている。MEMSミラーの性能はミラーの直径とミラーの振り角とで決まり、ミラーの直径を大きくすると振り角が減少するといったトレードオフの関係にある。一方、高解像度化を実現するためにミラー直径を小さくし過ぎると、回折現象により解像感が低下してしまうため、むやみにミラー直径を小さくして振り角を大きくすることはできない。一般に、ミラーの直径及びミラーの振り角のバランスが取れた設計値は、ミラー直径が1mm、振り角が光線角度の半画角で10度程度である。
 本実施形態の光走査デバイス17は、直径1mm、振り角が半画角で10度のMEMSミラーを採用している。
 一般に、観察者の眼の瞳の瞳孔の大きさや、眼球の動き、眼幅の個人差などを考慮すると射出瞳の大きさは6~8mm程度必要と考えられる。
 本実施形態のHMD300では、MEMSミラーの直径が1mmであるから、MEMSミラーからの光を瞳拡大素子12により6mm以上まで拡大している。
 ここで、ヘッドマウントディスプレイにおいて、MEMSミラーの半画角10度の場合、2.5m先で約40インチ、アスペクト16:9相当の虚像サイズに相当する。したがって、さらなる画角が広い高画角化を実現するには光学系により画角を増加(拡げる)必要がある。しかしながら、画角と射出瞳の大きさとには相反する関係があり、例えば、画角を拡げると射出瞳の大きさが小さくなってしまう。
 これに対し、本実施形態のHMD300は、後述の構成を採用することで瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立可能としている。
 ここで、本実施形態のHMD300における瞳拡大機能について説明する。以下では、メインフレーム120(すなわち、画像生成部11および瞳拡大素子12)と観察者Mの眼を含む面内(図3に示す面内)における瞳拡大機能について説明する。
 図4は瞳拡大機能を説明するための図である。なお、図4には画像(虚像)の中央の光束のみを図示している。また、図4において、第1の集光光学系13は図を見易くするため、1枚のレンズとして図示している。
 ここで、図4において、MEMSミラー18の光射出部(画像光が射出される出口に相当)である第1の画像光H1の大きさをR1、瞳拡大素子12の光射出部(拡大後の画像光が射出される出口に相当)である第2の画像光H2の大きさをR2、観察者Mの瞳に入射する際の画像光に含まれる光束の径、すなわち、射出瞳Hの大きさをR3とする。
 図4に示すように、光源光学系15から射出された光は、コリメーターレンズ28により平行化されて平行光となる。平行化された光は、光走査デバイス17のMEMSミラー18により角度が変換されたことで画像光を構成する。MEMSミラー18により角度が変換された画像光は、瞳拡大素子12に入射する。
 図5は瞳拡大素子12の概略構成を示す断面図である。
 図5に示すように、瞳拡大素子12は、複数の平行平面板(導光体)24aと、複数のハーフミラー24bと、を有している。複数の平行平面板24aは、ハーフミラー24bを介して接合されている。瞳拡大素子12は、一対の端面が平行平面板24aの厚さ方向に対して傾斜するようにカットされており、該端面がそれぞれ光走査デバイス17からの画像光を入射させる光入射端面12aおよび画像光を拡大して射出される光射出端面12bを構成する。このように、瞳拡大素子12の水平断面形状は台形となっている。
 瞳拡大素子12においては、光入射端面12aから入射した画像光が複数のハーフミラー24bで透過および反射を繰り返した後、光射出端面12bから射出される。光射出端面12bから射出された画像光の幅は、光入射端面12aに入射した画像光の幅に対して拡大される。また、光入射端面12aへの画像光の入射角度と光射出端面12bからの画像光の射出角度とは一致する。
 したがって、例えば光入射端面12aに対して垂直に入射した画像光は光射出端面12bから垂直に射出され、光入射端面12aに対して所定の入射角度で入射した画像光は、光射出端面12bから入射角度と等しい射出角度で射出される。これにより、図3においては、画像光が瞳拡大素子12を透過する際、光路は台形の短辺側に曲がっている。
 図3に戻って、第1の集光光学系13は、少なくとも正のパワーと負のパワーとを含む光学系であり、全体として正のパワーを有する。本実施形態において、第1の集光光学系13は、光入射側から順に、第1レンズ21と、第2レンズ22と、第3レンズ23と、を有している。なお、本実施形態では、第1の集光光学系13は、第1レンズ21、第2レンズ22および第3レンズ23の3枚のレンズで構成されているが、補正レンズの枚数は特に限定されない。
 このような構成に基づき、図4に示すように、第1の集光光学系13は全体として正のパワーを有するため、瞳拡大素子12から射出された光を集光して、第2の集光光学系14の手前に中間像GMを形成する。
 第2の集光光学系14は、中間像からの光を集光して観察者Mの眼MEの瞳孔近傍に射出瞳Hを形成するとともに、外光の一部を透過させる。第2の集光光学系14は、少なくともメインフレーム120(図3参照)と観察者Mの眼MEを含む面内において、正のパワーを有するハーフミラー(凹面鏡)から構成されている。
 瞳拡大素子12により拡大された画像光は、第1の集光光学系13により集光され、第2の集光光学系14の手前に中間像GMをつくり、その後、第2の集光光学系14で反射されることで観察者Mの眼MEの瞳孔近傍に射出瞳Hを形成する。第2の集光光学系14は、中間像GMからの光を集光することでほぼ平行光として戻すため、観察者Mは遠方に虚像G1を視認することができる。
 続いて、本実施形態のHMD300における画角拡大機能について説明する。以下では、メインフレーム120と観察者Mの眼を含む面内(図3に示す面内)における瞳拡大機能について説明する。
 図6は画角拡大機能を説明するための図である。なお、図6には画像(虚像)の中央と両端の中心光線のみを図示している。また、図6において、第1の集光光学系13は図を見易くするため、1枚のレンズとして図示している。
 図6に示すように、MEMSミラー18は回転することで第1の画像光H1を瞳拡大素子12に対して±10度の角度θで入射させる。ここで、瞳拡大素子12は、第1の画像光H1の角度変換を行わない。そのため、瞳拡大素子12における拡大後の第2の画像光H2の最大出射角度θは、同様に±10度となる。
 本実施形態において、第1の集光光学系13および第2の集光光学系14はアフォーカル光学系AFを構成している。アフォーカル光学系AFの角倍率Bは、図5に示した第1の集光光学系13の実質的な焦点距離Fを第2の集光光学系14の焦点距離Fで割った値で規定される。あるいは、角倍率Bは、図6に示した、第1の画像光H1の最大出射角度θと虚像G1の最大画角θとの比でも規定可能である。
 虚像G1の最大画角θは、第2の画像光H2の最大出射角度θに角倍率Bを乗じた値となる。そのため、画角拡大機能を得るためには、角倍率Bを1よりも大きく設定する必要がある。
 本実施形態では、角倍率Bの下限値を1.1とした。角倍率Bを1.1以上に設定した場合、例えば、40インチ相当の画角を44インチ相当程度以上の画角まで拡大することができる。
 一方、角倍率Bの拡大に伴って第2の画像光H2の大きさR2も拡大する。そのため、角倍率Bが必要以上に大きくなると、瞳拡大素子12も大型化してしまい、瞳拡大素子12を含む装置全体が大型化するおそれがある。
 例えば、角倍率Bを3.0倍とした場合において射出瞳Hとして6.0mmを確保するには、第2の画像光H2の大きさR2を18mmにしなければならない。これを実現するには瞳拡大素子12の瞳拡大率を18倍とする必要があり、瞳拡大素子12が非常に大型化してしまう。さらに、第1の集光光学系13を18mmよりも大きくする必要が生じ、HMD300が大型化してしまう。
 以上のような事情から、装置の小型化した上で画角拡大が可能な角倍率Bには上限が存在することになる。
 実質的には、第2の画像光H2(瞳拡大素子12の出口に相当)の大きさR2は10mm程度とするのが望ましい。すなわち、第1の画像光H1(MEMSミラー18の出口に相当)の大きさR1が1mmならば、瞳拡大素子12の瞳拡大率は10倍となる。
 ここで、瞳拡大素子12は、第2の画像光H2の大きさR2が所定の射出瞳Hの大きさ(6mm)に角倍率Bを乗じた大きさ以上となるように瞳拡大率を設定している。
 そのため、第2の画像光H2の大きさR2を10mm程度とした場合、角倍率Bの上限は1.7倍以下に設定すればよい。
 なお、装置構成の小型化する上で実質的な第2の画像光H2の大きさR2の上限は15mm程度となる。この場合、瞳拡大素子12の瞳拡大率は15倍となり、角倍率Bの上限は2.5以下に設定すればよい。
 このような背景を鑑み、本実施形態では、アフォーカル光学系AFの角倍率Bを1以上2.5以下、より望ましくは1.1以上1.7以下となるように設定している。
 以下、角倍率を1.5倍に設定した場合を例に挙げて説明する。この場合、虚像G1の最大画角θは、第2の画像光H2の最大出射角度θに角倍率Bを乗じた±15度となる。すなわち、画像生成部11の第1の画像光H1の最大射出角度θよりも虚像G1の最大画角θが大きくなる。
 すなわち、角倍率Bを1.0倍とした場合(最大射出角度θ(±10度)のまま変化しない場合)は、2.5m先で約40インチ、アスペクト16:9相当の虚像サイズしか得られなかったものが、角倍率Bを1.5倍とすれば、2.5m先で約60インチ、アスペクト16:9相当の虚像サイズを得ることができる。
 すなわち、本実施形態のHMD300によれば、虚像G1の画角を拡大する画角拡大機能を得ることができる。第2の画像光H2の大きさR2は、角倍率B(1.5倍)の逆数(1/角倍率B)の割合で縮小する。そのため、第2の画像光H2は、観察者Mの瞳孔の位置で6.6mm程度となる。これによれば、実際のアフォーカル光学系AFの収差による影響を考慮したとしても、射出瞳Hの大きさR3として6mm程度を確保することができる。
 以上述べたように、本実施形態のHMD300では、角倍率Bが1以上2.5以下(より望ましくは1.1以上1.7以下)に設定されたアフォーカル光学系AFを備えつつ、且つ、第2の画像光H2の大きさR2が射出瞳Hの大きさR3よりも大きくなるようにしている。具体的に、本実施形態では、第1の画像光H1の大きさR1が1mm(MEMSミラー18の直径に相当)、第2の画像光H2の大きさR2が10mm、射出瞳Hの大きさR3が6mm以上となっている。また、第1の画像光H1の最大出射角度θが±10度、虚像G1の最大画角θが±15度となっている。
 本実施形態のHMD300によれば、虚像G1の画角を拡げたことによる縮小分が考慮されて射出瞳Hの大きさが設定されたものとなっている。そのため、虚像G1の画角を拡げることで瞳径が縮小されたとしても、射出瞳Hとして所定サイズ(6mm以上)のものを得ることができる。
 また、本実施形態では角倍率Bの上限を規定しているため、瞳拡大素子12が大型化することがなく、装置全体を小型化することができる。
 したがって、瞳拡大機能と画角拡大機能とを両立しつつ、小型化が図られたHMD300が提供される。
 (第2実施形態)
 続いて、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態と第1実施形態との違いは第2の集光光学系の構造であり、それ以外の構成は共通であるため、共通の構成については同じ符号を付し、その詳細な説明については省略する。
 図7は、本実施形態のHMD301における瞳拡大機能を説明するための図である。なお、図7には画像(虚像)の中央の光束のみを図示している。図7において、第1の集光光学系13は図を見易くするため、1枚のレンズとして図示している。
 本実施形態において、第2の集光光学系114は、少なくともメインフレーム120(図3参照)と観察者Mの眼を含む面内において、正のパワーを有する反射型ホログラムから構成されている。
 第2の集光光学系114は、体積ホログラムを有し、体積ホログラムパターンの変更により光の入射角と反射角とを任意に調整することができる。
 第2の集光光学系114は、光の入射角度と反射角度とを異ならせることで、反射された光束の断面を拡大できる。よって、第2の集光光学系114は、中間像からの光を反射した際、第1実施形態の第2の集光光学系14で反射した場合に比べ、第2の画像光H2を大きくする瞳拡大機能を有している。
 本実施形態では、第1実施形態と同じ射出瞳Hの大きさR3(6mm)を得る際、ホログラムによる瞳拡大効果の分だけ、第2の画像光H2の大きさR2を8mm程度と小さくすることができる。これにより、第2の画像光H2が小さくなった分だけ、瞳拡大素子12および第1の集光光学系13を小型化できるので、装置全体を小型化できる。
 また、本実施形態によれば、第2の画像光H2の大きさR2としてもとの大きさ(10mm)を確保すれば、角倍率Bを大きくしたとしてもホログラムの瞳拡大効果によって十分な大きさの射出瞳Hを得ることができる。よって、虚像G1のさらなる高画角化を図ることができる。
 あるいは、第2の画像光H2の大きさR2及び角倍率Bを変化させなければ、ホログラムの瞳拡大効果の分だけより射出瞳Hをより大きくできるので、多様な眼の大きさの人々に対して見易さを向上させることが可能な汎用性に優れたHMD301を提供できる。
 なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
 例えば、上記実施形態では、画像生成部11として光走査デバイス17を用いた場合を例に挙げたが、画像生成部の構成はこれに限定されない。例えば、図8に示すように、画像生成部111として、表示パネル(電気光学装置)112と、コリメーターレンズ113とを有したものを用いても良い。
 表示パネル112は、バックライト112aと光変調素子112bとを含む。バックライト112aは、例えば赤色、緑色および青色といった発光色ごとの光源の集合から構成されている。各光源としては、例えば、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)やレーザー光源などを用いることができる。光変調素子112bとしては、例えば、表示素子である液晶表示デバイスなどを用いることができる。なお、表示パネル112としては、他にも、有機エレクトロルミネッセンス装置(有機EL装置)等を採用することもできる。
 コリメーターレンズ113は、例えば、入力される画像光を投射する投射レンズの群から構成され、表示パネル112の光変調素子から射出された第1の画像光Lを投射して、平行な状態の光束にする。コリメーターレンズ113を介した第1の画像光Lは、異なる角度成分を含んでいる。
 また、上記実施形態では、瞳拡大素子12として複数の平行平面板24aと複数のハーフミラー24bとが積層された構造を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、複数の回折素子を含む光学素子を用いて瞳拡大素子を形成するようにしても良い。
 例えば、図9に示すように、第1光学素子213および第2光学素子214を含む瞳拡大素子212を用いても良い。
 第1光学素子213は、光入射面側213a側に配置された入射側回折部(回折素子)215と、光出射面側213b側に配置された出射側回折部(回折素子)216と、を含む。入射側回折部215および出射側回折部216は、複数の直線状の格子が配列されることで構成される格子パターン215a、216aを有している。
 第2光学素子214は、光入射面側214a側に配置された入射側回折部217と、光出射面側214b側に配置された出射側回折部218と、を含む。入射側回折部217および出射側回折部218は、複数の直線状の格子が配列されることで構成される格子パターン217a、218aを有している。
 図9に示すように、第1光学素子213に入射した光L1の光束は、入射側回折部215で回折されることで3つに増加し、出射側回折部216から射出されて第2光学素子214に入射する。第2光学素子214に入射した各光L1の光束は、同様に、入射側回折部217で回折されることで3つに増加し、出射側回折部218から射出される。このように瞳拡大素子212によれば、光を繰り返し回折させることで光の断面積を拡大して第2の画像光を生成可能である。
 例えば、上記実施形態では、メインフレーム120(図3参照)と観察者Mの眼を含む面内において、瞳拡大機能および画角拡大機能を両立させる場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、メインフレーム120と観察者Mの眼を含む面と直交する面(図3の紙面に垂直な面)内において瞳拡大機能および画角拡大機能を両立させる場合にも適用可能である。
 M…観察者、ME…眼、G1…虚像、H…射出瞳、H1…第1の画像光、H2…第2の画像光、L…第1の画像光、B…角倍率、MG…中間像、F,F…焦点距離、11,111…画像生成部、12,212…瞳拡大素子、13…第1の集光光学系、14,114…第2の集光光学系、17…光走査デバイス、24a…平行平板(導光材)、24b…ハーフミラー(ハーフミラー層)、25…光源部、112…表示パネル(電気光学装置)、113…コリメーターレンズ、120…メインフレーム(装置本体)、213…第1光学素子、214…第2光学素子、215,217…入射側回折部(回折素子)、216,218…出射側回折部(回折素子)、300…HMD(画像表示装置)。

Claims (12)

  1.  第1の画像光を射出する画像生成部と、
     前記画像生成部からの前記第1の画像光に含まれる光束の径を拡大して第2の画像光とする瞳拡大素子と、
     前記第2の画像光を集光して中間像を形成する第1の集光光学系と、
     前記中間像からの光を集光して観察者の眼に虚像を生成する第2の集光光学系と、を備え、
     少なくとも前記画像生成部と前記瞳拡大素子と前記観察者の眼とを含む面内において、
     前記第1の画像光の最大射出角度は、前記虚像の最大画角よりも小さく、
     前記第2の画像光に含まれる光束の径は、前記虚像に含まれる光束の径よりも大きい
     ことを特徴とする画像表示装置。
  2.  前記第1の画像光の最大射出角度に対する前記虚像の最大画角で規定される角倍率は、1以上2.5以下である
     ことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。
  3.  前記第1の集光光学系の実質的な焦点距離を前記第2の集光光学系の実質的な焦点距離で割った角倍率は、1以上2.5以下である
     ことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。
  4.  前記角倍率は、1.1以上1.7以下である
     ことを特徴とする請求項2又は3に記載の画像表示装置。
  5.  前記瞳拡大素子は、前記第2の画像光に含まれる光束の径が、前記虚像に含まれる光束の径に前記角倍率を乗じた大きさ以上となるように拡大率を設定している
     ことを特徴とする請求項2~4のいずれか一項に記載の画像表示装置。
  6.  前記画像生成部は、光源部から射出された光を走査して前記第1の画像光とする光走査デバイスである
     ことを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載の画像表示装置。
  7.  前記画像生成部は、電気光学装置と、コリメートレンズとを有する
     ことを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載の画像表示装置。
  8.  前記瞳拡大素子は、複数の導光材がハーフミラー層を介して接合された光学素子である ことを特徴とする請求項1~7のいずれか一項に記載の画像表示装置。
  9.  前記瞳拡大素子は、回折素子を含む光学素子である
     ことを特徴とする請求項1~7のいずれか一項に記載の画像表示装置。
  10.  前記第1の集光光学系は、少なくとも正のパワーと負のパワーとを含む光学系であり、全体として正のパワーを有する
     ことを特徴とする請求項1~9のいずれか一項に記載の画像表示装置。
  11.  前記第2の集光光学系は、少なくとも前記画像生成部と前記瞳拡大素子と前記観察者の眼とを含む面内において、正のパワーを有する凹面鏡である
     ことを特徴とする請求項1~10のいずれか一項に記載の画像表示装置。
  12.  前記第2の集光光学系は、少なくとも前記画像生成部と前記瞳拡大素子と前記観察者の眼とを含む面内において、正のパワーを有する反射型ホログラムである
     ことを特徴とする請求項1~10のいずれか一項に記載の画像表示装置。
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