JP2015194654A - Optical device, image projection apparatus, and electronic equipment - Google Patents
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Abstract
Translated fromJapaneseDescription
Translated fromJapanese本発明は、光学デバイス、画像投影装置及び電子機器に関するものである。 The present invention relates to an optical device, an image projection apparatus, and an electronic apparatus.
近年、画像表示装置から射出された画像光を、導光板を有する光学デバイスを用いて観察者の眼まで導光し、観察者に画像（虚像）を観察させる画像投影装置が商品化されている。例えば、画像投影装置の一種であるヘッドマウントディスプレイでは、小型化、広画角化、高効率化に関する開発が行われている。このような光学デバイスにおいては、導光板内に光を入射させ、または、導光板内を導光する光を射出させるための構成として回折光学素子を用いることが、従来から提案されている。 In recent years, image projectors that guide image light emitted from an image display device to the eyes of an observer using an optical device having a light guide plate and cause the observer to observe an image (virtual image) have been commercialized. . For example, a head-mounted display, which is a type of image projection apparatus, has been developed for downsizing, wide angle of view, and high efficiency. In such an optical device, it has been conventionally proposed to use a diffractive optical element as a configuration for causing light to enter the light guide plate or emitting light that is guided through the light guide plate.
ところで、回折光学素子の回折特性には大きな波長依存性がある。そのため、回折光学素子を用いた光学デバイスを有する画像投影装置では、観察される虚像の色むらが大きくなることがある。 Incidentally, the diffraction characteristics of the diffractive optical element have a large wavelength dependency. For this reason, in an image projection apparatus having an optical device using a diffractive optical element, the color unevenness of the observed virtual image may increase.
そこで、複数の色（例えば、赤、緑、青）の光のそれぞれに対応した複数の回折光学素子を有する光学デバイスが提案されている。このような光学デバイスを用いた画像投影装置では、導光板が導光する光に含まれる複数の色の光を、それぞれの色の光に対応する回折光学素子で回折させることで、回折効率の波長依存性による色毎の効率差を低減した虚像を表示することができる（例えば、特許文献１）。 Thus, an optical device having a plurality of diffractive optical elements corresponding to each of a plurality of colors (for example, red, green, and blue) has been proposed. In an image projection apparatus using such an optical device, diffraction light of a plurality of colors included in light guided by the light guide plate is diffracted by a diffractive optical element corresponding to the light of each color. A virtual image in which the efficiency difference for each color due to wavelength dependency is reduced can be displayed (for example, Patent Document 1).
上記特許文献１に記載の構成では、導光板内に光を入射させる構成、及び導光板内から光を射出させるための構成のそれぞれについて、導光板内を導光する光に含まれる複数の色に対応して複数個の回折光学素子を積層させている。そのため、上記特許文献１に記載の光学デバイスにおいては、構造が複雑となり、画像投影装置の製造コストが増大するおそれがある。 In the configuration described in
また、異なる色に対応した複数の回折光学素子を積層して設ける場合、一の色に対応する回折光学素子で回折した光が、他の色に対応する回折光学素子に入射し、更なる回折を受けることとなる。そのため、回折角の制御が困難となり、表示される虚像の画質が低下する等の問題が生じることもあった。 In addition, when a plurality of diffractive optical elements corresponding to different colors are stacked, the light diffracted by the diffractive optical element corresponding to one color is incident on the diffractive optical element corresponding to the other color and further diffracted. Will receive. For this reason, it is difficult to control the diffraction angle, and problems such as deterioration of the image quality of the displayed virtual image may occur.
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、画像投影装置に用いられ、簡易な構成で高品位な画像を表示することが可能な光学デバイスを提供することを目的とする。また、このような光学デバイスを有し、高品位な画像を表示することが可能な画像投影装置を提供することをあわせて目的とする。さらに、このような画像投影装置を有し、高品位な画像を表示することが可能な電子機器を提供することをあわせて目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical device that can be used in an image projection apparatus and can display a high-quality image with a simple configuration. Another object of the present invention is to provide an image projection apparatus having such an optical device and capable of displaying a high-quality image. It is another object of the present invention to provide an electronic apparatus having such an image projection apparatus and capable of displaying a high-quality image.
上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、第１波長帯域の光と前記第１波長帯域とは異なる波長帯域である第２波長帯域の光とを内部で導光させる第１導光体と、前記第１導光体の第１面に設けられ、前記第１導光体の内部を導光した光の少なくとも一部を回折して取り出す第１回折素子と、前記第１波長帯域及び前記第２波長帯域とは異なる波長帯域である第３波長帯域の光を内部で導光させる第２導光体と、前記第２導光体の第２面に設けられ、前記第２導光体の内部を導光する第３波長帯域の光の少なくとも一部を前記第２面に対して第１角度となるように回折して取り出す第２回折素子と、を有し、前記第２導光体及び前記第２回折素子は、前記第１回折素子で取り出した光の少なくとも一部が前記第２導光体に入射して前記第２回折素子を介して射出するように配置され、前記第１回折素子は、第１部分と、前記第１部分とは異なる回折特性である第２部分と、を含み、前記第１部分は、前記第２回折素子を介して射出される前記第１波長帯域の光を、前記第２面に対して前記第１角度となるように回折する特性を備え、前記第２部分は、前記第２回折素子を介して射出される前記第２波長帯域の光を、前記第２面に対して前記第１角度となるように回折する特性を備えることを特徴とする光学デバイスを提供する。 In order to solve the above-described problem, an aspect of the present invention provides a first light guide for internally guiding light in a first wavelength band and light in a second wavelength band that is a wavelength band different from the first wavelength band. A first diffractive element that is provided on a first surface of the first light guide and that diffracts and extracts at least a portion of light guided through the first light guide; and the first wavelength. A second light guide that internally guides light in a third wavelength band, which is a wavelength band different from the band and the second wavelength band, and a second surface of the second light guide, A second diffractive element that diffracts and extracts at least a part of light in the third wavelength band that guides the inside of the light guide so as to be at a first angle with respect to the second surface, 2 light guide and the second diffractive element, wherein at least a part of the light extracted by the first diffractive element is incident on the second light guide and The first diffractive element includes a first part and a second part having a diffractive characteristic different from that of the first part, and the first part includes: The second portion has the characteristic of diffracting the light in the first wavelength band emitted through the second diffractive element so as to be at the first angle with respect to the second surface. There is provided an optical device characterized by having a characteristic of diffracting light of the second wavelength band emitted through a diffraction element so as to be at the first angle with respect to the second surface.
この構成によれば、第１波長帯域の光と第２波長帯域の光とを共通する第１導光体を用いて導光するため、各波長帯域に対応した複数の導光体を有する光学デバイスと比べ、導光板の数を減らすことができる。そのため、光学デバイスの軽量化、小型化を図ることができる。 According to this configuration, since the light of the first wavelength band and the light of the second wavelength band are guided using the common first light guide, the optical having a plurality of light guides corresponding to each wavelength band Compared with a device, the number of light guide plates can be reduced. Therefore, the optical device can be reduced in weight and size.
また、第３波長帯域の光については劣化させることなく画像形成に用いることができるため、解像度低下が抑制された高品質の画像（虚像）を表示することができる。 Further, since the light in the third wavelength band can be used for image formation without being deteriorated, a high-quality image (virtual image) in which a reduction in resolution is suppressed can be displayed.
したがって、簡易な構成で高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。 Therefore, a high-quality image (virtual image) can be displayed with a simple configuration.
本発明の一態様によれば、前記第２導光体は、内部を導光する光を入射する入射部を備え、前記第１導光体と前記第２導光体との間に設けられた第１波長選択素子と、前記第２導光体の前記入射部に設けられ、前記第３波長帯域の光を透過させる第２波長選択素子と、を有し、前記第１波長選択素子は、前記第１回折素子の前記第１部分と重なる位置に配置され、前記第１波長帯域の光を透過させる第３部分と、前記第１回折素子の前記第２部分と重なる位置に配置され、前記第２波長帯域の光を透過させる第４部分と、を備える構成としてもよい。
この構成によれば、画質を向上させることができる。According to an aspect of the present invention, the second light guide includes an incident portion that receives light that guides the inside thereof, and is provided between the first light guide and the second light guide. A first wavelength selection element, and a second wavelength selection element that is provided at the incident portion of the second light guide and transmits light in the third wavelength band, wherein the first wavelength selection element is , Disposed at a position overlapping the first portion of the first diffractive element, disposed at a position overlapping the third portion transmitting the light of the first wavelength band, and the second portion of the first diffractive element, And a fourth portion that transmits light in the second wavelength band.
According to this configuration, the image quality can be improved.
本発明の一態様によれば、前記第１導光体は、前記第１面とは反対側に位置する面のうち、前記第１回折素子と重なる部分が光を透過し、前記第２導光体は、前記第２面とは反対側に位置する面のうち、前記第２回折素子と重なる部分が光を透過し、前記第１波長選択素子の第３部分及び第４部分は、前記第３波長帯域の光を透過する構成としてもよい。
この構成によれば、外光を取り入れることができるため、例えば画像投影装置に用いた場合、投影する画像の他に周囲を観察可能な装置とすることができる。According to an aspect of the present invention, in the first light guide, a portion of the surface located on the side opposite to the first surface that overlaps the first diffraction element transmits light, and the second light guide is transmitted. Of the surface located on the opposite side of the second surface, the light body has a portion that overlaps the second diffraction element transmits light, and the third and fourth portions of the first wavelength selection element are It is good also as a structure which permeate | transmits the light of a 3rd wavelength band.
According to this configuration, since external light can be taken in, for example, when used in an image projection apparatus, it is possible to provide an apparatus that can observe the surroundings in addition to the image to be projected.
本発明の一態様によれば、前記第１波長選択素子の第３部分の分光透過率及び第４部分の分光透過率は、前記第１波長選択素子を透過した白色光が無彩色となるような分光透過率である構成としてもよい。
この構成によれば、画像投影装置に用いた場合、周囲を適切な色で観察可能な装置とすることができる。According to an aspect of the present invention, the spectral transmittance of the third portion and the spectral transmittance of the fourth portion of the first wavelength selection element are such that white light transmitted through the first wavelength selection element is achromatic. It is good also as a structure with a sufficient spectral transmittance.
According to this configuration, when used in an image projection apparatus, it is possible to provide an apparatus that can observe the surroundings with an appropriate color.
本発明の一態様によれば、前記第３部分は、前記第２波長帯域の光を透過せず、前記第４部分は、前記第１波長帯域の光を透過しない構成としてもよい。
この構成によれば、画質を向上させることができる。According to an aspect of the present invention, the third portion may not transmit light in the second wavelength band, and the fourth portion may not transmit light in the first wavelength band.
According to this configuration, the image quality can be improved.
本発明の一態様によれば、前記第３部分及び前記第４部分の幅は、０．５ｍｍ以上、かつ、前記第１波長選択素子を分割する領域の種類の数で７ｍｍを除した値より小さい構成としてもよい。
この構成によれば、第１波長選択領域及び第２波長選択領域が形成する周期構造により意図しない回折が生じたとしても、画質の低下を抑制することができ、高品位な映像を表示することが可能となる。According to an aspect of the present invention, the width of the third portion and the fourth portion is 0.5 mm or more, and is a value obtained by dividing 7 mm by the number of types of regions into which the first wavelength selection element is divided. It is good also as a small structure.
According to this configuration, even if unintentional diffraction occurs due to the periodic structure formed by the first wavelength selection region and the second wavelength selection region, it is possible to suppress deterioration in image quality and display a high-quality image. Is possible.
本発明の一態様によれば、前記第２波長選択素子は、前記第３波長帯域の光を透過し、前記第１波長帯域の光及び前記第２波長帯域の光を透過しない構成としてもよい。
この構成によれば、第２導光体に入射する光の色純度が高くなる。そのため、より高品位な画像を表示することが可能となる。According to an aspect of the present invention, the second wavelength selection element may be configured to transmit light in the third wavelength band and not transmit light in the first wavelength band and light in the second wavelength band. .
According to this configuration, the color purity of light incident on the second light guide is increased. Therefore, it is possible to display a higher quality image.
本発明の一態様によれば、前記第１導光体は、内部を導光する光を入射する入射部を備え、前記第１導光体の前記入射部には、前記第３波長帯域の光を透過しない第３波長選択素子が設けられている構成としてもよい。
この構成によれば、第３波長選択素子を透過することで、第１導光体に入射する光の色純度が高くなる。そのため、より高品位な画像を表示することが可能となる。According to an aspect of the present invention, the first light guide includes an incident part that receives light that guides the inside, and the incident part of the first light guide has a third wavelength band. A third wavelength selection element that does not transmit light may be provided.
According to this configuration, the color purity of the light incident on the first light guide is increased by transmitting the third wavelength selection element. Therefore, it is possible to display a higher quality image.
本発明の一態様によれば、前記第２導光体は、内部を導光する光を入射する入射部を備え、前記第２導光体の前記入射部には、前記第２導光体に入射する前記第３波長帯域の光の光量を、前記第１導光体に入射する前記第１波長帯域の光の光量及び前記第２波長帯域の光の光量よりも少なくする減光素子が設けられている構成としてもよい。
この構成によれば、第３波長帯域の光の光量を低減することで、カラーバランスを調整することができる。According to an aspect of the present invention, the second light guide includes an incident portion that receives light that guides the inside, and the second light guide includes the incident portion of the second light guide. A dimming element that reduces the amount of light in the third wavelength band incident on the first light guide to be less than the amount of light in the first wavelength band incident on the first light guide and the amount of light in the second wavelength band; It is good also as a structure provided.
According to this configuration, the color balance can be adjusted by reducing the amount of light in the third wavelength band.
本発明の一態様によれば、前記第１導光体は、前記第１面が前記第２導光体の第２面とは反対側の面と対向するように配置されている構成としてもよい。
この構成によれば、第３波長帯域の光について、不要の回折や吸収の影響がなく、劣化が抑制された状態で画像形成に用いることができるため、解像度低下が抑制された高品質の画像（虚像）を表示することができる。According to an aspect of the present invention, the first light guide may be configured such that the first surface is opposed to a surface opposite to the second surface of the second light guide. Good.
According to this configuration, the light of the third wavelength band is not affected by unnecessary diffraction and absorption, and can be used for image formation in a state in which deterioration is suppressed. Therefore, a high-quality image in which a decrease in resolution is suppressed (Virtual image) can be displayed.
本発明の一態様によれば、前記第１部分及び前記第２部分の幅は、０．５ｍｍ以上、かつ、７ｍｍを前記第１回折素子の互いに異なる回折特性の種類の数で除した値より小さい構成としてもよい。
この構成によれば、第１領域及び第２領域が形成する周期構造により意図しない回折が生じたとしても、画質の低下を抑制することができ、高品位な映像を表示することが可能となる。According to an aspect of the present invention, the width of the first part and the second part is 0.5 mm or more, and is a value obtained by dividing 7 mm by the number of different types of diffraction characteristics of the first diffraction element. It is good also as a small structure.
According to this configuration, even if unintentional diffraction occurs due to the periodic structure formed by the first region and the second region, it is possible to suppress deterioration in image quality and display a high-quality image. .
本発明の一態様によれば、前記第３波長帯域の光が緑色光である構成としてもよい。
この構成によれば、緑色光については劣化させることなく画像形成に用いることができるため、解像度低下が抑制された高品質の画像（虚像）を表示することができる。According to an aspect of the present invention, the third wavelength band light may be green light.
According to this configuration, since green light can be used for image formation without being deteriorated, a high-quality image (virtual image) in which a reduction in resolution is suppressed can be displayed.
本発明の一態様は、前記第１波長帯域の光、前記第２波長帯域の光及び前記第３波長帯域の光を用いて形成された画像光を射出する画像表示装置と、上記の光学デバイスと、を有し、前記光学デバイスは、前記画像光のうち前記第１波長帯域の光及び前記第２波長帯域の光を用いて形成された前記画像光を前記第１導光体に入射させ、前記第１導光体の内部を伝播する前記一部の画像光を前記第１回折素子で回折させて取り出し、前記画像光のうち前記第３波長帯域の光を用いて形成された前記画像光を前記第２導光体に入射させ、前記第２導光体の内部を伝播する前記画像光を前記第２回折素子で回折させて取り出すことを特徴とする画像投影装置を提供する。
この構成によれば、上述の画像投影装置を有するため、高品位な映像を表示することが可能となる。One embodiment of the present invention is an image display device that emits image light formed using light in the first wavelength band, light in the second wavelength band, and light in the third wavelength band, and the optical device described above And the optical device causes the image light formed using the light in the first wavelength band and the light in the second wavelength band of the image light to enter the first light guide. The part of the image light propagating through the first light guide is diffracted by the first diffractive element and taken out, and the image is formed using the third wavelength band of the image light. There is provided an image projection apparatus characterized in that light is incident on the second light guide and the image light propagating through the second light guide is diffracted by the second diffraction element and taken out.
According to this configuration, since the image projection device described above is included, it is possible to display a high-quality video.
本発明の一態様によれば、前記画像表示装置は、所望の色調の画像に対応した基準画像光よりも、前記第３波長帯域の光の光量を減らした前記画像光を射出する構成としてもよい。
この構成によれば、カラーバランスが整った高品質の画像を表示することが可能となる。According to an aspect of the present invention, the image display device may emit the image light in which the light amount of the light in the third wavelength band is reduced from the reference image light corresponding to an image having a desired color tone. Good.
According to this configuration, it is possible to display a high-quality image with a well-balanced color balance.
本発明の一態様は、上記の画像投影装置を有することを特徴とする電子機器を提供する。
この構成によれば、上述の画像投影装置を有するため、高品位な映像を表示することが可能となる。One embodiment of the present invention provides an electronic device including the above-described image projection device.
According to this configuration, since the image projection device described above is included, it is possible to display a high-quality video.
［第１実施形態］
以下、図を参照しながら、本発明の第１実施形態について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings below, the dimensions and ratios of the constituent elements are appropriately changed in order to make the drawings easy to see.
図１は、本実施形態に係る電子機器の外観図である。本実施形態では、電子機器として、透過型のヘッドマウントディスプレイ（表示装置１０００）を示している。表示装置１０００は、本発明の一態様である光学デバイス及び本発明の一態様である画像投影装置を有している。 FIG. 1 is an external view of an electronic apparatus according to this embodiment. In this embodiment, a transmissive head-mounted display (display device 1000) is shown as an electronic device. The
本実施形態に係る表示装置１０００は、眼鏡のような形状を有する本体部１００と、使用者の手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御部２００と、を備える。 The
本体部１００と制御部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、本体部１００と制御部２００とがケーブル３００で通信可能に接続されている。そして、本体部１００と制御部２００とは、このケーブルを介して、画像信号や制御信号を通信する。 The
本体部１００は、左眼用表示部１１０Ａと、右眼用表示部１１０Ｂとを備えている。 The
左眼用表示部１１０Ａは、左眼用画像の画像光を形成する画像形成部１２０Ａと、左眼用画像の画像光を導光する導光ユニット１３０Ａと、を備える。 The left-
画像形成部１２０Ａは、眼鏡型の本体部１００において眼鏡のつる部分に収容されており、導光ユニット１３０Ａは眼鏡型の本体部１００において眼鏡レンズ部分に収容されている。 The
導光ユニット１３０Ａには、光透過性を有する視認部１３１Ａが設けられている。導光ユニット１３０Ａは、導光ユニット１３０Ａの内部を伝播する左眼用画像の画像光を、視認部１３１Ａから使用者の左眼に向けて射出する。また、表示装置１０００においては、視認部１３１Ａが光透過性を有し、視認部１３１Ａを介して周囲を視認可能となっている。 The
一方、右眼用表示部１１０Ｂは、右眼用の画像形成部１０Ｂと、右眼用の導光ユニット１３０Ｂと、右眼用の視認部１３１Ｂと、を備える。左眼用表示部１１０Ａと右眼用表示部１１０Ｂとは、同様の構成を採用しており、眼鏡型の本体部１００の中央（鼻あて付近）に対して左右対称の構成を有している。 On the other hand, the right-
制御部２００は、操作部２１０と、操作ボタン部２５０と、を備える。使用者は、制御部２００の操作部２１０や操作ボタン部２５０に対して操作入力を行い、本体部１００に対する指示を行う。 The
図２は、本発明の一実施形態に係る表示装置１０００の左眼用表示部１１０Ａの構成例を示す平面図である。図２には、本体部１００を装着する使用者の左眼ＬＥを示してある。ここでは、左眼用表示部１１０Ａの構成例についてのみ説明する。 FIG. 2 is a plan view illustrating a configuration example of the left-
図に示す画像形成部１２０Ａと導光ユニット１３０Ａとは、本発明の画像投影装置に該当する。導光ユニット１３０Ａは、本発明の光学デバイスに該当する。 The
画像形成部１２０Ａは、左眼用の画像表示部１２１Ａと、投射光学系１２２Ａと、を備える。画像表示部１２１Ａは、左眼用のバックライト４１０Ａと、左眼用の光変調素子４１１Ａと、を備える。画像表示部１２１Ａは、本発明の画像表示装置に該当する。 The
バックライト４１０Ａは、例えば赤色、緑色及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４１１Ａ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。 The
なお、画像表示部１２１Ａ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）や、レーザー光源とＭＥＭＳミラーを有するレーザー光を走査する走査光学系とを含む走査型画像表示装置など、通常知られた画像表示装置を採用することもできる。 In addition, as the
投射光学系１２２Ａ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、画像表示部１２１Ａの光変調素子４１１Ａから射出された画像光を投射して、平行な状態の光束にする。 The projection
導光ユニット１３０Ａは、投射光学系１２２Ａに対して相対位置が固定され、投射光学系１２２Ａから射出される画像光を、導光ユニット１３０Ａの所定の位置に導く。 The relative position of the
次いで、図１及び図２を参照して、本実施形態に係る表示装置１０００の概略を説明する。 Next, an outline of the
まず、画像表示部１２１Ａには、制御部２００からの画像信号が入力される。すると、画像表示部１２１Ａにおいて、バックライト４１０Ａの各光源が、赤色光、緑色光及び青色光を射出する。バックライト４１０Ａの各光源から射出された赤色光、緑色光及び青色光は、光変調素子４１１Ａに入射する。 First, an image signal from the
光変調素子４１１Ａは、制御部２００から画像表示部１２１Ａに入力された画像信号に応じて、投射された赤色光、緑色光及び青色光を空間変調する。これにより、画像表示部１２１Ａは当該画像信号に応じた画像光を形成し、投射光学系１２２Ａに向けて射出する。 The
投射光学系１２２Ａは、入射する画像光を拡大しつつ平行化し、導光ユニット１３０Ａに向けて射出する。 The projection
導光ユニット１３０Ａは、導光ユニット１３０Ａの内部を反射させながら画像光を伝播し、視認部１３１Ａから使用者の左眼ＬＥに向かって射出する。射出された画像光は、左眼ＬＥの網膜上に虚像を形成する。 The light guide unit 130 </ b> A propagates image light while reflecting the inside of the light guide unit 130 </ b> A and emits the light toward the left eye LE of the user from the visual recognition unit 131 </ b> A. The emitted image light forms a virtual image on the retina of the left eye LE.
また、視認部１３１Ａに周囲から入射する光の少なくとも一部は、視認部１３１Ａを透過し、使用者の左眼ＬＥに導かれる。これにより、使用者には、画像形成部１２０Ａにより形成された画像と、外界からの光学像とが重畳されて見える。 Further, at least a part of the light incident on the
使用者は、表示装置１０００の本体部１００を頭部に装着することにより、本体部１００から出力される画像光に応じた画像（虚像）を認識する。また、使用者は、本体部１００を頭部に装着したまま、本体部１００の視認部１３１Ａ，１３１Ｂを介して外界を見ることができる。 The user recognizes an image (virtual image) corresponding to the image light output from the
図３は、図２の導光ユニット１３０Ａに含まれる光学デバイス１にのみ着目し詳細に説明する説明図である。本実施形態の光学デバイス１は、一方向に延在する第１導光部１Ａ及び第２導光部１Ｂを有している。第１導光部１Ａと第２導光部１Ｂとは重なるように配置している。 FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining in detail focusing only on the
第１導光部１Ａは赤色光Ｒと青色光Ｂとを導光し、第２導光部１Ｂは緑色光Ｇを導光する。赤色光Ｒ、緑色光Ｇ及び青色光Ｂは、上述の画像形成部１２０Ａで生成する画像光に対応する。 The
以下の図では、ｘｙｚ座標系を設定し、このｘｙｚ座標系を参照しつつ各部材の位置関係を説明することがある。ｘｙｚ座標系において、第１導光部１Ａ及び第２導光部１Ｂの延在方向をｘ軸方向、第１導光部１Ａ及び第２導光部１Ｂの重なる方向をｚ軸方向、ｘ軸方向とｚ軸方向のそれぞれと直交する方向をｙ軸方向とする。図に示す矢印方向がそれぞれの軸の正方向（＋方向）である。
また、本明細書において、「平面視」とは＋ｚ方向側から−ｚ方向に見たときの視野を指す。In the following drawings, an xyz coordinate system is set, and the positional relationship of each member may be described with reference to this xyz coordinate system. In the xyz coordinate system, the extending direction of the first
Further, in this specification, “plan view” refers to a visual field when viewed in the −z direction from the + z direction side.
第１導光部１Ａは、第１導光板（第１導光体）２１、第１回折部（第１回折素子）３１、第１波長選択部（第１波長選択素子）４１を有している。 1 A of 1st light guide parts have the 1st light guide plate (1st light guide) 21, the 1st diffraction part (1st diffraction element) 31, and the 1st wavelength selection part (1st wavelength selection element) 41. Yes.
第１導光板２１は、対向して延在する第１面２１ａと第１面２１ａの対向面（第１面とは反対側に位置する面）２１ｂとを有し、透光性を有する長尺の部材である。第１導光板２１は、延在方向の一端２１ｘ（−ｘ側）から入射した光を他端２１ｙの側（＋ｘ側）に導光する。本実施形態の第１導光板２１は、互いに平行な第１面２１ａと対向面２１ｂとを有する直方体状の部材である。図では、第１面２１ａが−ｚ側、対向面２１ｂが＋ｚ側を向くように示している。第１導光板２１において、光が入射する一端２１ｘは、本発明における「第１導光体の入射部」に該当する。 The first
第１導光板２１においては、内部に入射した光を、第１面２１ａ及び対向面２１ｂで反射させながら導光する。第１面２１ａ及び対向面２１ｂでの反射は、全反射を利用するものでもよく、第１面２１ａ及び対向面２１ｂにおいて反射特性を持たせたい領域に設けた反射部材によるものでもよい。反射部材としては、金属膜、誘電体多層膜及び回折素子を挙げることができる。 In the first
第１導光板２１は、透光性を有するならば、無機材料及び有機材料のいずれも使用することができる。第１導光板２１において内部を導光する際、第１面２１ａ及び対向面２１ｂの全反射を利用する場合には、第１導光板２１の周囲の媒質（例えば空気）との屈折率差が大きくなるように、なるべく高屈折率の材料を用いる方が好ましい。 As long as the 1st light-
本実施形態の第１導光板２１は、対向面２１ｂの他端側が光透過性を有し、対向面２１ｂを介して外光ＮＬが入射する構成となっている。これにより、第１導光部１Ａと第２導光部１Ｂを介して外光ＮＬが観察者の左眼ＬＥにまで達し、周囲を観察可能となる。対向面２１ｂにおいて光透過性を有する範囲は、画角に応じて適宜設定する。 The first
第１回折部３１は、第１面２１ａの他端２１ｙの側に設けられている。第１回折部３１は、赤色光Ｒに応じた回折特性を有する複数の第１領域３１ａと、青色光Ｂに応じた回折特性を有する複数の第２領域３１ｂと、を含む透過型の回折素子である。赤色光Ｒは、本発明における「第１波長帯域の光」に該当し、青色光Ｂは、本発明における「第２波長帯域の光」に該当する。 The
ここで、本明細書において「（光）に応じた回折特性」とは、入射する光の波長に応じて、回折光の射出方向が設計値通りの回折角となるように回折パターンが設計されていることを指す。回折光は、例えば＋１次光である。 Here, in this specification, “diffraction characteristics according to (light)” means that a diffraction pattern is designed so that the exit direction of diffracted light has a diffraction angle as designed according to the wavelength of incident light. It points to that. The diffracted light is, for example, + 1st order light.
図では、第１領域３１ａと第２領域３１ｂの回折パターンは、入射角θで入射する赤色光Ｒ及び青色光Ｂをそれぞれ第１面２１ａの法線方向、すなわち第１面２１ａに対して９０度（第１角度）の方向に射出するように回折させることとして示している。回折角は、波長に依存して変化する。そのため、異なる波長の光が同じ入射角θで入射する場合、同方向に射出するように回折させるためには、各光の波長に応じて回折パターンの設計が必要となる。表面レリーフ型の回折素子の場合、回折角は、凹凸のピッチや凹凸の深さによって制御することができる。 In the figure, the diffraction patterns of the
本実施形態の第１回折部３１は、複数の第１領域３１ａと第２領域３１ｂとが、マトリクス状に配列している。 In the first
なお、本実施形態においては、第１波長帯域の光である赤色光Ｒを第１角度となるように回折する第１領域３１ａは、本発明における「第１部分」に該当する。また、第２波長帯域の光である緑色光Ｇを第１角度となるように回折する第２領域３１ｂは、本発明における「第２部分」に該当する。第１領域３１ａと第２領域３１ｂとは、回折特性が異なっている。 In the present embodiment, the
第１波長選択部４１は、第１面２１ａの他端２１ｙの側において、第１回折部３１と平面的に重なって設けられている。具体的には、第１波長選択部４１は第１面２１ａの表面に設けられ、第１波長選択部４１の表面に第１回折部３１が積層している。 The first
このような構造の光学デバイス１では、第１面２１ａから順に第１波長選択部４１、第１回折部３１を作製しながら積層させることで、目的の積層構造を作製することができる。そのため、第１回折部３１と第１波長選択部４１とを個別に作製し、アライメントしながら重ね合せる場合と比べ、製造が容易となる。 In the
第１波長選択部４１は、選択的に赤色光Ｒを透過させ、青色光Ｂを透過させない複数の第１波長選択領域（第３部分）４１ａと、選択的に青色光Ｂを透過させ、赤色光Ｒを透過させない複数の第２波長選択領域（第４部分）４１ｂと、を有している。複数の第１波長選択領域４１ａは、複数の第１領域３１ａとそれぞれ平面的に重なる位置に配置されている。また、複数の第２波長選択領域４１ｂは、複数の第２領域３１ｂとそれぞれ平面的に重なる位置に配置されている。 The first
本実施形態の第１波長選択部４１は、複数の第１波長選択領域４１ａと第２波長選択領域４１ｂとが、ｘｙ平面上にマトリクス状に配列している。 In the first
第１波長選択部４１としては、吸収型のカラーフィルターや、反射型の誘電体多層膜を用いることができる。 As the first
第１波長選択部４１として吸収型のカラーフィルターを用いる場合、第１波長選択部４１を透過できなかった光は吸収されるため、意図しない迷光として第１導光板２１内に残る光を低減することができ、ノイズ成分を少なくすることができる。 When an absorption type color filter is used as the first
一方、第１波長選択部４１として反射型の誘電体多層膜を用いる場合、透過できずに反射された光が第１導光板２１に戻されるため、波長が一致する別の領域に再度入射させることが可能となる。そのため、光量ロスを低減することができる。 On the other hand, when a reflective dielectric multilayer film is used as the first
すなわち、第１波長選択部４１を用いることで、画質を向上させることができる。 That is, by using the first
第２導光部１Ｂは、第２導光板（第２導光体）２２、第２回折部（第２回折素子）３２、第２波長選択部（第２波長選択素子）４２を有している。 The 2nd
第２導光部１Ｂは、対向して延在する第２面２２ａと第２面２２ａの対向面（第２面とは反対側に位置する面）２２ｂとを有し、透光性を有する長尺の部材である。第２導光板２２は、延在方向の一端２２ｘ（−ｘ側）から入射した光を、他端２２ｙの側（＋ｘ側）に導光する。本実施形態の第２導光板２２は、互いに平行な第２面２２ａと対向面２２ｂとを有する直方体状の部材である。第２導光板２２において、光が入射する一端２２ｘは、本発明における「第２導光体の入射部」に該当する。 The second
図では、第２面２２ａが−ｚ側、対向面２２ｂが＋ｚ側を向くように示している。すなわち、第２導光板２２は、第１回折部３１で取り出した光の少なくとも一部が入射するように配置されている。 In the figure, the
第１導光部１Ａと第２導光部１Ｂとは、互いの一端側（一端２１ｘと一端２２ｘ）及び互いの他端側（他端２１ｙと他端２２ｙ）を揃えて配置されている。本実施形態においては、第１導光部１Ａの第１面２１ａと第２導光部１Ｂの対向面２２ｂとが対向するように配置されている。また、第１導光部１Ａの第１導光板２１と、第２導光部１Ｂの第２導光板２２とは、第１面２１ａと第２面２２ａとが平行となるように配置されている。 The first
第２導光部１Ｂは、第１導光部１Ａと同様の材料を用いることができ、同様の構成を採用することができる。 The second
第２回折部３２は、第２面２２ａの他端２２ｙの側に設けられている。第２回折部３２は、緑色光Ｇに応じた回折特性を有する透過型の回折素子である。図では、第２回折部３２は、入射角θで入射する緑色光Ｇを第２面２２ａの法線方向、すなわち第２面２２ａに対して９０度（第１角度）の方向に射出するように回折させることとして示している。緑色光Ｇは、本発明における「第３波長帯域の光」に該当する。 The second
第１導光板２１の第１面２１ａから第１角度の方向に射出される赤色光Ｒ及び青色光Ｂは、第２導光板２２に入射し、第２回折部３２を介して射出される。このとき、第２回折部３２は、緑色光Ｇを回折する特性を有しているため、赤色光Ｒ及び青色光Ｂは、入射角を維持したまま第２回折部３２を透過して射出される。 Red light R and blue light B emitted from the
ここで、第１導光板２１の第１面２１ａと、第２導光板２２の第２面２２ａとは、互いに平行であるため、第２回折部３２に入射する赤色光Ｒ及び青色光Ｂは、第２面２２ａに対して第１角度の方向に射出される。したがって、第２回折部３２からは、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ及び青色光Ｂのいずれもが、第２面２２ａに対して９０度（第１角度）の方向に射出される。 Here, since the
第２波長選択部４２は、第２導光板２２の一端２２ｘに設けられている。第２波長選択部４２は、選択的に緑色光Ｇを透過させ、赤色光Ｒ、青色光Ｂを透過させない。第２波長選択部４２としては、吸収型のカラーフィルターや、反射型の誘電体多層膜を用いることができる。第２導光板２２に入射する光は、第２波長選択部４２を透過することで、色純度が高くなる。
本実施形態の光学デバイス１は、以上のような構成となっている。The second
The
このような光学デバイス１においては、画像光を赤色光Ｒ、緑色光Ｇ及び青色光Ｂに分光した後、赤色光Ｒ及び青色光Ｂが第１導光部１Ａに入射する。赤色光Ｒ及び青色光Ｂは、第１導光板２１内を伝播した後、第１回折部３１及び第１波長選択部４１を介して第１導光部１Ａから射出される。 In such an
ここで、第１回折部３１は、赤色光Ｒを回折させる第１領域３１ａ及び青色光Ｂを回折させる第２領域３１ｂを有し、第１波長選択部４１は、赤色光Ｒを透過する第１波長選択領域４１ａ及び青色光Ｂを透過する第２波長選択領域４１ｂを有している。そのため、第１回折部３１及び第１波長選択部４１を透過した赤色光Ｒ及び青色光Ｂは、第１回折部３１の第１領域３１ａと第２領域３１ｂの面積比、各領域の回折効率、第１波長選択部４１の分光透過率に応じて減衰して射出される。 Here, the first diffracting
その際、赤色光Ｒ及び青色光Ｂは、第１波長選択部４１を透過することで色純度が高められる。これにより、外部に射出される画像光で形成する画像の画質を向上させることができる。 At that time, the red light R and the blue light B are transmitted through the first
射出された赤色光Ｒ及び青色光Ｂは、対向面２２ｂから第２導光部１Ｂに入射し、第２面２２ａ及び第２回折部３２を介して観察者の左眼ＬＥに射出される。第２回折部３２は、緑色光Ｇに応じた回折特性を有しているため、赤色光Ｒや青色光Ｂが入射しても回折しない、または問題になるほどの回折を生じない。そのため、赤色光Ｒ及び青色光Ｂは、第２回折部３２を透過して良好に観察者の左眼ＬＥに入射する。 The emitted red light R and blue light B enter the second
一方、緑色光Ｇは、第２波長選択部４２を透過して色純度を高めた後に、第２導光部１Ｂに入射する。緑色光Ｇは、第２導光板２２内を伝播した後、第２回折部３２を介して第２導光部１Ｂから射出され、観察者の左眼ＬＥに入射する。 On the other hand, the green light G passes through the second
このとき、第２回折部３２は全面が緑色光Ｇを回折させるため、第２波長選択部４２からは、回折効率に応じて減衰した緑色光Ｇが射出される。 At this time, since the entire surface of the second diffracting
このようにして光学デバイス１から射出され左眼ＬＥに入射した赤色光Ｒ、緑色光Ｇ及び青色光Ｂの各色の画像光に基づいて、観察者は画像（虚像）を認識する。なお、光学デバイス１の第２回折部３２は、図２に示す導光ユニット１３０Ａの視認部１３１Ａに対応する位置に配置される。 In this manner, the observer recognizes an image (virtual image) based on the image light of each color of red light R, green light G, and blue light B emitted from the
このような構成の光学デバイス１においては、赤色光Ｒと青色光Ｂとを共通する第１導光板２１を用いて導光するため、各色に対応した導光部を有する光学デバイスと比べ、導光板の数を減らすことができる。そのため、光学デバイスの軽量化、小型化を図ることができる。 In the
また、光学デバイス１においては、第２導光板２２を用いて緑色光Ｇのみを導光する。緑色は視感度が高いため、緑色光Ｇで形成する画像の解像度が低下すると、表示する画像（虚像）の観察者は解像度が低下したと感じやすい。しかし、本実施形態の光学デバイス１においては、緑色光Ｇについては劣化させることなく画像形成に用いることができるため、解像度低下が抑制された高品質の画像（虚像）を表示することができる。 In the
また、光学デバイス１においては、緑色光Ｇを導光する第２導光部１Ｂが観察者側に配置している。そのため、緑色光Ｇは、第２回折部３２と第２波長選択部４２との他に周期的なパターンやカラーフィルター等を透過することがない。したがって、緑色光Ｇは、不要の回折や吸収の影響がなく、劣化が抑制された状態で観察者の左眼ＬＥに入射する。すなわち、緑色光Ｇについては劣化させることなく画像形成に用いることができるため、解像度低下が抑制された高品質の画像（虚像）を表示することができる。 Moreover, in the
したがって、本実施形態の光学デバイス１においては、簡易な構成で高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。 Therefore, in the
また、本実施形態の画像投影装置（左眼用表示部１１０Ａ、右眼用表示部１１０Ｂ）においては、上述のような光学デバイス１において、画像光のうち赤色光（第１波長帯域の光）及び青色光（第２波長帯域の光）を用いて形成された画像光を第１導光板２１に入射させ内部を伝播させた後、第１回折部３１で回折させて取り出す。また、画像光のうち緑色光（第３波長帯域の光）を用いて形成された画像光を第２導光板２２に入射させ内部を伝播させた後、第２回折部３２で回折させて取り出す。すなわち、本実施形態の画像投影装置（左眼用表示部１１０Ａ、右眼用表示部１１０Ｂ）は、上述のような光学デバイス１を有するため、高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。 In the image projection apparatus (left
また、本実施形態の表示装置１０００においては、上述の左眼用表示部１１０Ａ、右眼用表示部１１０Ｂを有するため、高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。 In addition, since the
なお、本実施形態の光学デバイス１においては、入射する画像光（赤色光Ｒ、緑色光Ｇ及び青色光Ｂ）は、第１回折部３１、第１波長選択部４１、第２回折部３２及び第２波長選択部４２で減衰するため、形成する画像のカラーバランスがずれるおそれがある。 In the
具体的には、本実施形態の光学デバイス１は、上述したように、第１導光部１Ａで導光する赤色光Ｒ及び青色光Ｂと比べ、第２導光部１Ｂで導光する緑色光Ｇを減衰させにくい構成となっている。そのため、光学デバイス１から射出される画像光において、緑色光Ｇの光量が多く、カラーバランスが緑色側にずれた画像となるおそれがある。
このような場合、以下の方法により、カラーバランスを調整することができる。Specifically, as described above, the
In such a case, the color balance can be adjusted by the following method.
例えば、第２波長選択部（減光素子）４２における緑色光の分光透過率を下げ、第２導光板２２内に入射する緑色光Ｇの光量を低減することで、カラーバランスを調整することができる。 For example, the color balance can be adjusted by lowering the spectral transmittance of the green light in the second wavelength selection unit (the light reducing element) 42 and reducing the amount of the green light G incident on the second
または、第２回折部３２の回折効率を下げ、第２導光板２２から射出する緑色光Ｇの光量を低減することで、カラーバランスを調整することができる。表面レリーフ型の回折素子の場合、回折効率は、凹凸のピッチや凹凸の深さによって制御することができる。 Alternatively, the color balance can be adjusted by reducing the diffraction efficiency of the second
または、左眼用表示部１１０Ａでは、図２に示すバックライト４１０Ａから射出する緑色光の光量を、所望の色調の画像に対応した基準画像光よりも低減することで、カラーバランスを調整することができる。 Alternatively, in the left-
これらのカラーバランスを調整する方法は、それぞれ単独で行ってもよく、２以上を組み合わせて行ってもよい。これらの調整により、カラーバランスが整った高品質の画像を表示することが可能となる。 These methods for adjusting the color balance may be performed alone or in combination of two or more. By these adjustments, it is possible to display a high-quality image with a well-balanced color balance.
また、上記実施形態においては、人間の視感度の高さに着目して、減衰を抑制すべき色光として緑色光を選択し、第２導光部１Ｂで緑色光Ｇを導光することとしたが、これに限らない。赤色光Ｒや青色光Ｂを第２導光部１Ｂで導光する構成の光学デバイスとすることも可能である。その場合、各回折部の回折特性や各波長選択部の分光透過率は、導光する光の波長に応じて適宜変更するとよい。 In the above embodiment, focusing on the high human visibility, green light is selected as the color light whose attenuation should be suppressed, and the green light G is guided by the second
また、本実施形態の光学デバイス１では、第１回折部３１及び第１波長選択部４１が以下のような構成となっているとよい。 In the
図４は、平面的に重なる第１回折部３１及び第１波長選択部４１の一部拡大図である。図に示すように、本実施形態の第１回折部３１は、複数の第１領域３１ａと第２領域３１ｂとが、マトリクス状に配列している。同様に、本実施形態の第１波長選択部４１は、複数の第１波長選択領域４１ａと第２波長選択領域４１ｂとが、ｘｙ平面上にマトリクス状に配列している。 FIG. 4 is a partially enlarged view of the
本実施形態の光学デバイス１においては、第１回折部３１が有する各領域３１ａ，３１ｂは、幅が０．５ｍｍ以上、かつ「人間の瞳孔径を第１回折部３１が有する互いに回折特性が異なる領域の種類数で除した値よりも小さい」値となっている。第１波長選択部４１が有する各領域４１ａ，４１ｂにおいても、同様の幅となっている。
以下、この幅の規定について説明する。In the
Hereinafter, the regulation of the width will be described.
（領域の幅の下限値について）
各領域の幅の下限値は、第１回折部３１や第１波長選択部４１の分割構造に起因した回折による画質低下を抑制する目的で設定する。(About the lower limit of the area width)
The lower limit value of the width of each region is set for the purpose of suppressing deterioration in image quality due to diffraction due to the divided structure of the
第１回折部３１や第１波長選択部４１が複数の領域に分割されていると、これらの領域の配列自体が回折素子として機能し、第１回折部３１や第１波長選択部４１を透過する光が、意図しない回折をするおそれがある。例えば、マトリクス状に配列した第１回折部３１において、各領域のマトリクス状配列により光が回折すると、像が行列方向に多重に広がり、像の輪郭が不鮮明となる（像にボケが生じる）。 When the first diffracting
このような回折による画質への影響は、観察者の視力により程度が異なる。目の分解能は、視力が良いほど高く、目に入射する光の入射角について、視力１．５の人では約０．０１°、視力１．０の人では約０．０２°、視力０．５の人では約０．０３°の違いを判別可能である。発明者の検討により、目の分解能の３倍の回折角までならば、像のボケを顕著に感じないことが分かっている。 The influence of the diffraction on the image quality varies depending on the visual acuity of the observer. The resolution of the eye is higher as the visual acuity is better, and the incident angle of light incident on the eye is about 0.01 ° for a person with a visual acuity of 1.5, about 0.02 ° for a person with a visual acuity of 1.0, A person of 5 can discriminate a difference of about 0.03 °. According to the inventor's investigation, it is known that the blur of the image is not noticeable when the diffraction angle is three times the resolution of the eye.
そのため、平均的な視力の観察者として、例えば視力１．０の人を想定すると、０．０６°までの入射角の違いであればボケを顕著に感じないと想定できる。すなわち、各領域のマトリクス配列により生じる回折角が０．０６°までであれば、各領域のマトリクス配列に起因した回折による画質への影響を捨象してデバイスを設計することができると考えられる。 For this reason, assuming that the average visual acuity is, for example, a person with visual acuity of 1.0, it can be assumed that the blur is not noticeable if the incident angle is different up to 0.06 °. That is, when the diffraction angle generated by the matrix arrangement of each region is up to 0.06 °, it is considered that the device can be designed by discarding the influence on the image quality due to the diffraction caused by the matrix arrangement of each region.
図５は、他の色よりもボケに対して最も影響の大きい緑色の場合の周期格子のピッチと回折角との関係を示したグラフであり、横軸が周期格子のピッチ（単位：ｍｍ）縦軸が回折角（単位：°）を示すものである。図５からは、周期格子のピッチが０．５ｍｍ以上であれば、回折角は０．０６°となることが分かる。したがって、第１回折部３１が有する各領域３１ａ，３１ｂの幅は、０．５ｍｍ以上とするとよい。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the pitch of the periodic grating and the diffraction angle in the case of green, which has the greatest influence on the blur compared to other colors, and the horizontal axis is the pitch of the periodic grating (unit: mm). The vertical axis represents the diffraction angle (unit: °). FIG. 5 shows that the diffraction angle is 0.06 ° when the pitch of the periodic grating is 0.5 mm or more. Therefore, the width of each
なお、回折格子のピッチと回折角との関係は、入射光の波長が異なると変化する。光学デバイス１の設計においては、視感度が高く画質に与える影響が最も大きい緑色光について、領域の幅を決定すると好ましい。 The relationship between the pitch of the diffraction grating and the diffraction angle changes when the wavelength of the incident light is different. In the design of the
このような考え方は、第１波長選択部４１が有する各領域４１ａ，４１ｂの幅を設定する際にも、同様に適用することができる。 Such a concept can be similarly applied when setting the widths of the
（領域の幅の上限値について）
まず、「人間の瞳孔径」は、人種によって差がほとんどない一方で、暗視野では大きく、明視野では小さく、というように変化する。具体的には、瞳孔径は同一人物であっても２ｍｍ〜７ｍｍ程度の範囲で変化することが知られている。(About upper limit of area width)
First, the “human pupil diameter” varies little by race, but changes in such a manner that it is large in the dark field and small in the bright field. Specifically, it is known that the pupil diameter changes within a range of about 2 mm to 7 mm even for the same person.
本実施形態の光学デバイス１の設計時には、使用環境が暗所であるのか明所であるのかを想定し、基準となる瞳孔径を設定する。例えば、表示装置１０００のようなヘッドマウントディスプレイにおいては、瞳孔径が３．５ｍｍ程度となる場合が多い。 At the time of designing the
上述したように、第１回折部３１において、赤色光、緑色光、青色光に分割して観察者の網膜に画像光を照射する場合、例えば、第１領域３１ａの幅が３．５ｍｍであるとすると、第１領域３１ａから射出された赤色光の幅（主光線軸に直交する方向の幅）が瞳孔径と等しくなる。すると、目線によっては、第１領域３１ａから射出された光のみが観察者の眼に照射され、表示される画像が赤く色付いてしまうという不具合が想定される。 As described above, when the first diffracting
そのように想定される不具合を抑制するため、第１回折部３１が有する各領域３１ａ，３１ｂの幅を、使用時の瞳孔径を第１回折部３１が有する領域の種類である「３」で除した値よりも小さい値とする。もちろん、第１回折部３１が有する領域の種類が増える場合には、瞳孔径を除する値も異なる。このように領域の幅を設定すると、観察者の眼に特定の色の画像光のみが照射されるおそれが低減され、色付きが抑制できる。例えば、第１回折部３１が有する各領域３１ａ，３１ｂの幅は１．０ｍｍ以下である。 In order to suppress such an inconvenience, the width of each
このような考え方は、第１波長選択部４１が有する各領域４１ａ，４１ｂの幅を設定する際にも、同様に適用することができる。 Such a concept can be similarly applied when setting the widths of the
なお、上記幅は、観察者の視力が１．０であり、使用時の観察者の瞳孔径が３．５ｍｍ程度となる状況で使用する光学デバイス１について設定したものである。そのため、想定する観察者の視力や使用環境における観察者の瞳孔径が異なる場合には、上記設計思想に応じて適宜幅を設定するとよい。 In addition, the said width | variety is set about the
また、上記実施形態においては、画像光を赤色光Ｒ、緑色光Ｇ及び青色光Ｂの３色に分光することとしたが、これに限らない。画像光をさらに多くの色、例えば、黄色光を含む４色に分光することとしてもよい。その場合には、第１導光部１Ａを用いて３色の色光を導光することとすることができる。 In the above embodiment, the image light is split into three colors of red light R, green light G, and blue light B, but the present invention is not limited to this. The image light may be split into more colors, for example, four colors including yellow light. In that case, it is possible to guide light of three colors using the first
また、上記実施形態においては、第２導光部１Ｂを観察者側に配置しているが、第１導光部１Ａを観察者側に配置する構成とすることもできる。 Moreover, in the said embodiment, although the 2nd
また、図６、７に示す変形例のような構成とすることもできる。図６は、本実施形態の変形例に係る光学デバイス２の説明図であり、図３に対応する図である。 Moreover, it can also be set as the structure like the modification shown in FIG. FIG. 6 is an explanatory diagram of an optical device 2 according to a modification of the present embodiment, and corresponds to FIG.
光学デバイス２は、第１導光部１Ａの第１導光板２１の一端２１ｘに、赤色光Ｒと青色光Ｂとを透過させる第３波長選択部（第３波長選択素子）４３を有している。第３波長選択部４３としては、吸収型のカラーフィルターや、反射型の誘電体多層膜を用いることができる。 The optical device 2 includes a third wavelength selection unit (third wavelength selection element) 43 that transmits the red light R and the blue light B at one
このような光学デバイス２では、第３波長選択部４３を透過することで、第１導光板２１に入射する光の色純度が高くなる。そのため、より高品位な画像を表示することが可能となる。 In such an optical device 2, the color purity of the light incident on the first
図７は、本実施形態の変形例に係る光学デバイス３の説明図であり、図３に対応する図である。光学デバイス３は、光学デバイス１と比べ、第１導光部１Ａに代えて第１導光部１Ｃを用いることが異なっている。 FIG. 7 is an explanatory diagram of an optical device 3 according to a modification of the present embodiment, and corresponds to FIG. The optical device 3 is different from the
第１導光部１Ｃは、第１導光板２１、第１回折部３１、第１波長選択部４１、保持部４９を有している。 The first
第１回折部３１は、第１面２１ａの他端２１ｙの側において第１面２１ａの表面に設けられている。一方、第１波長選択部４１は、光透過性を有する板状の保持部４９の上に設けられている。保持部４９上に設けられた第１波長選択部４１は、例えば不図示のスペーサ部材を介して第１導光板２１に対して保持部４９が固定されることで、第１回折部３１と平面的に重なっている。 The
このような構成の光学デバイス３であっても、高品位な画像を表示することが可能となる。また、第１回折部３１の形状を第１面２１ａに作り込むことができるため、部品数を減らすことができる。 Even with the optical device 3 having such a configuration, a high-quality image can be displayed. Moreover, since the shape of the
また、本実施形態においては、第１導光板２１は第１面２１ａと対向面２１ｂとが平行である直方体状の部材であることとしたが、これに限らない。例えば、第１面２１ａの一部が対向面２１ｂに対して傾斜していたとしても、当該傾斜による反射角の違いを補正するように傾斜した部分を第１面２１ａまたは対向面２１ｂに設けることで、結果として第１回折部３１への入射角が所望の角度となるのであれば、そのような構成の導光板であっても用いることができる。第１導光板２１の第１面２１ａ及び対向面２１ｂに曲面が含まれる場合であっても同様に、別途の手段で結果として第１回折部３１への入射角が所望の角度となるように制御可能であれば使用可能である。
また、第２導光板２２についても同様に、直方体状の部材でなくてもよい。In the present embodiment, the first
Similarly, the second
［第２実施形態］
図８は、本発明の第２実施形態に係る光学デバイス４の説明図であり、図３，６に対応する図である。本実施形態の光学デバイス４は、第１実施形態の光学デバイス２と一部共通しており、第１導光部１Ａに代えて第１導光部１Ｄを用いることが異なっている。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。[Second Embodiment]
FIG. 8 is an explanatory diagram of the optical device 4 according to the second embodiment of the present invention, and corresponds to FIGS. The optical device 4 of the present embodiment is partly in common with the optical device 2 of the first embodiment, except that the
図に示すように、本実施形態の光学デバイス４は、一方向に延在する第１導光部１Ｄ及び第２導光部１Ｂを有している。第１導光部１Ｄと第２導光部１Ｂとは重なるように配置している。第１導光部１Ｄは赤色光Ｒと青色光Ｂとを導光し、第２導光部１Ｂは緑色光Ｇを導光する。 As shown in the figure, the optical device 4 of the present embodiment has a first
第１導光部１Ｄは、第１導光板２１、第１回折部３１、第１波長選択部（第１波長選択素子）４４、第３波長選択部（第３波長選択素子）４５を有している。 The first
第１波長選択部４４は、第１面２１ａの他端２１ｙの側において、第１回折部３１と平面的に重なって設けられている。第１波長選択部４４は、複数の第１領域３１ａとそれぞれ平面的に重なる複数の第１波長選択領域（第３部分）４４ａと、複数の第２領域３１ｂとそれぞれ平面的に重なる複数の第２波長選択領域（第４部分）４４ｂと、を有している。 The first
第１波長選択領域４４ａは、赤色の波長帯域の光と、緑色の波長帯域の光と、を透過させる。一方、第２波長選択領域４４ｂは、青色の波長帯域の光と、緑色の波長帯域の光と、を透過させる。 The first
ここで、第１波長選択領域４４ａの分光透過率及び第２波長選択領域４４ｂの分光透過率は、第１波長選択部４４を透過した白色光が無彩色となるように設定されているとよい。 Here, the spectral transmittance of the first
緑色の波長帯域の光は、第１波長選択領域４４ａ及び第２波長選択領域４４ｂのいずれも透過可能、すなわち第１波長選択部４４の全体を透過可能である。一方で、赤色の波長帯域の光は第２波長選択領域４４ｂを透過することができず、青色の波長帯域の光は第１波長選択領域４４ａを透過することができない。そのため、例えば、第１波長選択領域４４ａ及び第２波長選択領域４４ｂが１：１の面積比で設けられている場合には、面積比では緑色の波長帯域の光量は、赤色の波長帯域の光及び青色の波長帯域の光の２倍となる。そのため、第１波長選択領域４４ａにおいては、緑色の波長帯域の光の分光透過率を赤色の波長帯域の光の分光透過率よりも下げるとよい。同様に、第２波長選択領域４４ｂにおいては、緑色の波長帯域の光の分光透過率を青色の波長帯域の光の分光透過率よりも下げるとよい。 The light in the green wavelength band can be transmitted through both the first
本実施形態の第１波長選択部４４は、複数の第１波長選択領域４４ａと第２波長選択領域４４ｂとが、ｘｙ平面上にマトリクス状に配列している。 In the first
第１波長選択部４４としては、吸収型のカラーフィルターや、反射型の誘電体多層膜を用いることができる。 As the first
第３波長選択部４５は、第１導光板２１の一端２１ｘに設けられている。第３波長選択部４５は、赤色光Ｒと青色光Ｂとを透過させ緑色の波長帯域の光を透過させない機能を有する。第３波長選択部４５としては、吸収型のカラーフィルターや、反射型の誘電体多層膜を用いることができる。 The third
このような光学デバイス４においては、外光ＮＬのうち、赤色の波長帯域の光及び緑色の波長帯域の光は、第１波長選択領域４４ａを透過する。また、外光ＮＬのうち、青色の波長帯域の光及び緑色の波長帯域の光は、第２波長選択領域４４ｂを透過する。すなわち、外光ＮＬに含まれる赤色の波長帯域の光、緑色の波長帯域の光及び青色の波長帯域の光は、第１波長選択部４４を透過し、第１回折部３１、第２回折部３２を透過して観察者の左眼ＬＥに入射する。これにより、周囲をフルカラーで観察可能となる。 In such an optical device 4, the light in the red wavelength band and the light in the green wavelength band out of the external light NL are transmitted through the first
一方、第１導光部１Ｄでは、第３波長選択部４５を介することで、第１導光板２１に緑色の波長帯域の光が入射しない。そのため、第１導光部１Ｄでは、緑色の波長帯域の光を除いた赤色光Ｒ及び青色光Ｂが導光される。赤色光Ｒ及び青色光Ｂは、第１回折部３１、第１波長選択部４４を介して第２導光部１Ｂに向けて射出される。 On the other hand, in the first
第２導光部１Ｂでは緑色光Ｇが導光され、緑色光Ｇ及び第１導光部１Ａから入射する赤色光Ｒ並びに青色光Ｂが第２回折部３２を介して射出される。射出された赤色光Ｒ、緑色光Ｇ及び青色光Ｂの各色の画像光は、観察者の左眼ＬＥに入射し、観察者は画像（虚像）を認識する。 The second
以上のような構成の光学デバイス４においては、周囲をフルカラーで観察可能であり、かつ簡易な構成で高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。 In the optical device 4 configured as described above, the surroundings can be observed in full color, and a high-quality image (virtual image) can be displayed with a simple configuration.
［第３実施形態］
図９は、本発明の第３実施形態に係る光学デバイス５の説明図である。本実施形態の光学デバイス５は、第１実施形態の光学デバイス１と一部共通している。異なるのは、第１導光板の一端側に回折部を有する第１導光部１Ｅと、第２導光板の一端側に回折部を有する第２導光部１Ｆと、を用いることである。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。[Third Embodiment]
FIG. 9 is an explanatory diagram of the
第１導光部１Ｅは、第１導光板２１の一端２１ｘ側の第１面２１ａに、第３回折部３３を有している。第３回折部３３は、赤色光Ｒに応じた回折特性を有する複数の第１領域３３ａと、青色光Ｂに応じた回折特性を有する複数の第２領域３３ｂと、を含む透過型の回折素子である。 The first
第１導光部１Ｅにおいては、第３回折部３３として第１回折部３１と同じ回折特性を有する表面レリーフ型の回折素子を用いることとしている。第１回折部３１と第３回折部３３とは、第１領域３３ａにおいて回折角θで回折し第１領域３３ａから射出された赤色光Ｒが第１領域３１ａに入射角θで入射するように配置している。同様に、第２領域３３ｂにおいて回折角θで回折し第２領域３３ｂから射出された青色光Ｂが第２領域３１ｂに入射角θで入射するように配置している。 In the first
第２導光部１Ｆは、第２導光板２２の一端２２ｘ側の第２面２２ａに、第４回折部３４を有している。第４回折部３４は、緑色光Ｇに応じた回折特性を有する透過型の回折素子である。 The second
第２導光部１Ｆにおいては、第４回折部３４として第２回折部３２と同じ回折特性を有する表面レリーフ型の回折素子を用いることとしている。第４回折部３４において回折角θで回折し射出された緑色光Ｇは、第２回折部３２に入射角θで入射する。 In the second
このような構成の光学デバイス５では、一端側から入射させる白色光Ｗの分光を第３回折部３３及び第４回折部３４で行うことができ、分光した光を用いて高品位な画像（虚像）を表示することが可能となる。 In the
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but it goes without saying that the present invention is not limited to such examples. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described examples are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
例えば、本発明の画像投影装置は、上記表示装置１０００のような透過型のヘッドマウントディスプレイに限らず、他の虚像ディスプレイにも使用可能である。本発明の画像投影装置を適用可能な電子機器としては、他にも、ヘッドアップディスプレイや、窓を模した枠内に風景映像を表示する疑似窓を例示することができる。 For example, the image projection apparatus of the present invention can be used not only for a transmissive head mounted display such as the
１，２，３，４，５…光学デバイス、Ｇ…緑色光、Ｗ…白色光、２１…第１導光板（第１導光体）、２１ａ…第１面、２１ｂ…対向面（第１面とは反対側に位置する面）、２２ａ…第２面、２２ｂ…対向面（第２面とは反対側に位置する面）、２１ｘ，２２ｘ…一端、２１ｙ，２２ｙ…他端、２２…第２導光板（第２導光体）、３１…第１回折部（第１回折素子）、３１ａ…第１領域（第１部分）、３１ｂ…第２領域（第２部分）、３２…第２回折部（第２回折素子）、４１，４４…第１波長選択部（第１波長選択素子）、４１ａ，４４ａ…第１波長選択領域（第３部分）、４１ｂ，４４ｂ…第２波長選択領域（第４部分）、４２…第２波長選択部（第２波長選択素子、減光素子）、４３，４５…第３波長選択部（第３波長選択素子）、１０００…表示装置 1, 2, 3, 4, 5 ... optical device, G ... green light, W ... white light, 21 ... first light guide plate (first light guide), 21a ... first surface, 21b ... opposite surface (first) Surface located on the opposite side of the surface), 22a ... second surface, 22b ... opposite surface (surface located opposite to the second surface), 21x, 22x ... one end, 21y, 22y ... other end, 22 ... 2nd light guide plate (2nd light guide), 31 ... 1st diffraction part (1st diffraction element), 31a ... 1st area | region (1st part), 31b ... 2nd area | region (2nd part), 32 ... 2nd 2 diffraction sections (second diffraction elements), 41, 44 ... first wavelength selection section (first wavelength selection elements), 41a, 44a ... first wavelength selection area (third portion), 41b, 44b ... second wavelength selection Region (fourth portion), 42... Second wavelength selection section (second wavelength selection element, dimming element), 43, 45... Third wavelength selection section (third wavelength selection element), 10 0 ... display device
Claims (15)
Translated fromJapanese前記第１導光体の第１面に設けられ、前記第１導光体の内部を導光した光の少なくとも一部を回折して取り出す第１回折素子と、
前記第１波長帯域及び前記第２波長帯域とは異なる波長帯域である第３波長帯域の光を内部で導光させる第２導光体と、
前記第２導光体の第２面に設けられ、前記第２導光体の内部を導光する第３波長帯域の光の少なくとも一部を前記第２面に対して第１角度となるように回折して取り出す第２回折素子と、を有し、
前記第２導光体及び前記第２回折素子は、前記第１回折素子で取り出した光の少なくとも一部が前記第２導光体に入射して前記第２回折素子を介して射出するように配置され、
前記第１回折素子は、第１部分と、前記第１部分とは異なる回折特性である第２部分と、を含み、
前記第１部分は、前記第２回折素子を介して射出される前記第１波長帯域の光を、前記第２面に対して前記第１角度となるように回折する特性を備え、
前記第２部分は、前記第２回折素子を介して射出される前記第２波長帯域の光を、前記第２面に対して前記第１角度となるように回折する特性を備えることを特徴とする光学デバイス。A first light guide that internally guides light of a first wavelength band and light of a second wavelength band that is a wavelength band different from the first wavelength band;
A first diffractive element provided on the first surface of the first light guide and diffracting and extracting at least part of the light guided through the inside of the first light guide;
A second light guide for internally guiding light in a third wavelength band, which is a wavelength band different from the first wavelength band and the second wavelength band;
Provided on the second surface of the second light guide so that at least part of the light in the third wavelength band that guides the inside of the second light guide has a first angle with respect to the second surface. A second diffraction element that is diffracted into
The second light guide and the second diffractive element are arranged such that at least a part of the light extracted by the first diffractive element enters the second light guide and exits through the second diffractive element. Arranged,
The first diffractive element includes a first part and a second part having a diffraction characteristic different from that of the first part,
The first portion has a characteristic of diffracting the light in the first wavelength band emitted through the second diffraction element so as to be at the first angle with respect to the second surface,
The second portion has a characteristic of diffracting light in the second wavelength band emitted through the second diffraction element so as to be at the first angle with respect to the second surface. Optical device to do.
前記第１導光体と前記第２導光体との間に設けられた第１波長選択素子と、
前記第２導光体の前記入射部に設けられ、前記第３波長帯域の光を透過させる第２波長選択素子と、を有し、
前記第１波長選択素子は、
前記第１回折素子の前記第１部分と重なる位置に配置され、前記第１波長帯域の光を透過させる第３部分と、
前記第１回折素子の前記第２部分と重なる位置に配置され、前記第２波長帯域の光を透過させる第４部分と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。The second light guide includes an incident portion for entering light guided inside,
A first wavelength selection element provided between the first light guide and the second light guide;
A second wavelength selection element that is provided at the incident portion of the second light guide and transmits light in the third wavelength band;
The first wavelength selection element is:
A third portion disposed at a position overlapping the first portion of the first diffractive element and transmitting light in the first wavelength band;
The optical device according to claim 1, further comprising: a fourth portion that is disposed at a position overlapping the second portion of the first diffractive element and transmits light in the second wavelength band.
前記第２導光体は、前記第２面とは反対側に位置する面のうち、前記第２回折素子と重なる部分が光を透過し、
前記第１波長選択素子の第３部分及び第４部分は、前記第３波長帯域の光を透過することを特徴とする請求項２に記載の光学デバイス。Of the surface located on the opposite side of the first surface of the first light guide, a portion that overlaps the first diffraction element transmits light,
Of the surface located on the opposite side of the second surface of the second light guide, a portion overlapping the second diffraction element transmits light,
The optical device according to claim 2, wherein the third portion and the fourth portion of the first wavelength selection element transmit light in the third wavelength band.
前記第１導光体の前記入射部には、前記第３波長帯域の光を透過しない第３波長選択素子が設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光学デバイス。The first light guide includes an incident portion for entering light that guides the inside,
8. The device according to claim 1, wherein a third wavelength selection element that does not transmit light in the third wavelength band is provided in the incident portion of the first light guide. 9. Optical devices.
前記第２導光体の前記入射部には、前記第２導光体に入射する前記第３波長帯域の光の光量を、前記第１導光体に入射する前記第１波長帯域の光の光量及び前記第２波長帯域の光の光量よりも少なくする減光素子が設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光学デバイス。The second light guide includes an incident portion for entering light guided inside,
The incident portion of the second light guide has an amount of light of the third wavelength band incident on the second light guide, and an amount of light of the first wavelength band incident on the first light guide. 9. The optical device according to claim 1, further comprising a dimming element that reduces a light amount and a light amount of light in the second wavelength band.
請求項１から１２のいずれか１項に記載の光学デバイスと、を有し、
前記光学デバイスは、前記画像光のうち前記第１波長帯域の光及び前記第２波長帯域の光を用いて形成された前記画像光を前記第１導光体に入射させ、前記第１導光体の内部を伝播する前記一部の画像光を前記第１回折素子で回折させて取り出し、
前記画像光のうち前記第３波長帯域の光を用いて形成された前記画像光を前記第２導光体に入射させ、前記第２導光体の内部を伝播する前記画像光を前記第２回折素子で回折させて取り出すことを特徴とする画像投影装置。An image display device that emits image light formed using the light of the first wavelength band, the light of the second wavelength band, and the light of the third wavelength band;
An optical device according to any one of claims 1 to 12,
The optical device causes the image light formed using the light of the first wavelength band and the light of the second wavelength band of the image light to be incident on the first light guide, and the first light guide. The part of the image light propagating in the body is diffracted by the first diffraction element and taken out,
The image light formed using the light of the third wavelength band among the image light is incident on the second light guide, and the image light propagating through the second light guide is the second. An image projection apparatus characterized by being diffracted by a diffraction element and taken out.
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