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JP2010169916A - Video display device and head-mount display - Google Patents

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JP2010169916A
JP2010169916A JP2009012713A JP2009012713A JP2010169916A JP 2010169916 A JP2010169916 A JP 2010169916A JP 2009012713 A JP2009012713 A JP 2009012713A JP 2009012713 A JP2009012713 A JP 2009012713A JP 2010169916 A JP2010169916 A JP 2010169916A
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JP
Japan
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light
image
pupil
display device
wavelength
Prior art date
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Pending
Application number
JP2009012713A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshie Shimizu
佳恵 清水
Takeshi Endo
毅 遠藤
Keiko Yamada
恵子 山田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Konica Minolta Inc
Original Assignee
Konica Minolta Inc
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To brightly observe a periphery of a screen and observe a video with much presence when gazing a center of the screen, and brightly observe a gazing point when gazing the periphery of the screen in constitution of a wide viewing angle using an HOE 23 manufactured so that a position of a reference light source is deviated from an optical pupil. <P>SOLUTION: In the constitution of the wide viewing angle where an observation angle of a video is 15° or more, when wavelength having maximum diffraction efficiency in a light beam M<SB>1</SB>passing through a center of the optical pupil P out of light beams of a prescribed wavelength region emitted from a center of a display surface of the display element is defined as λ<SB>0</SB>, wavelength having maximum diffraction efficiency in a light beam M<SB>2</SB>passing through the center of the optical pupil P out of light beams of the prescribed wavelength region emitted from a periphery part of the display surface of the display element is defined as λy, and a half viewing angle of the observation viewing angle is defined as θ, the HOE 23 satisfying 0.08<¾((λy/λ<SB>0</SB>)-1)/sinθ¾<0.2 is used. When the HOE satisfies the conditional expression, the reference light source R during exposure is located in a prescribed range between a turning center C and an iris I during video observation. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、画面周辺の観察時に観察者の眼球の回旋が生じるような、観察画角が広画角の映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも称する)とに関するものである。   The present invention provides a video display device with a wide viewing angle so that the observer's eyeball rotates when observing the periphery of the screen, and a head-mounted display (hereinafter also referred to as an HMD) including the video display device. It is about.

表示素子からの映像光と外界光とを同時に光学瞳に導くコンバイナとして、反射型ホログラム光学素子(以下、HOEとも称する)を用いたシースルー型の映像表示装置が従来から提案されている。例えば、特許文献1では、上下方向の観察画角が10度(±5度)と狭い映像表示装置において、観察者の瞳(虹彩)が接眼光学系の光学瞳面内で移動しても、良好な映像を観察することが可能な構成が提案されている。   A see-through type image display device using a reflection type hologram optical element (hereinafter also referred to as HOE) as a combiner that simultaneously guides image light from the display element and external light to the optical pupil has been proposed. For example, in Patent Document 1, in an image display device whose observation angle of view in the vertical direction is as narrow as 10 degrees (± 5 degrees), even if the observer's pupil (iris) moves within the optical pupil plane of the eyepiece optical system, A configuration capable of observing a good image has been proposed.

より具体的には、反射型HOEは、2光束(参照光、物体光)でホログラム感光材料を露光し、干渉縞を記録することによって作製されるが、そのときに光学瞳側の光源(参照光源)を光学瞳位置に対して例えばホログラム感光材料とは反対側に配置してホログラム感光材料を露光し、HOEを作製する。このようにして作製されたHOEをコンバイナとして用いた場合、映像観察時に観察者の瞳(虹彩)の位置が光学瞳面内でずれたとしても、観察方向によっては、露光時のホログラム感光材料への露光光線の入射方向に近づくもの、または上記入射方向と同一方向のものも存在するため、瞳位置のずれによる輝度ムラを低減することができる。   More specifically, the reflection type HOE is manufactured by exposing a hologram photosensitive material with two light beams (reference light and object light) and recording interference fringes. A light source) is disposed on the opposite side of the optical pupil position, for example, from the hologram photosensitive material, and the hologram photosensitive material is exposed to produce an HOE. When the HOE produced in this way is used as a combiner, even if the position of the observer's pupil (iris) is shifted in the optical pupil plane during image observation, depending on the observation direction, the hologram photosensitive material during exposure is used. Since there are those approaching the incident direction of the exposure light beam or those in the same direction as the incident direction, luminance unevenness due to the shift of the pupil position can be reduced.

特開2004−61731号公報JP 2004-61731 A

ところが、特許文献1の構成では、観察者の瞳(虹彩)が光学瞳の中心に位置したベストな状態であっても、画面周辺から光学瞳中心に向かう光の回折効率が低くなるために、画面中心から画面周辺に向かうにつれて映像が暗くなっていく。特許文献1の構成では観察画角が狭いので、画面周辺が暗くなることによる画面全体の映像品位の低下は仮に小さいとは言えても、映像の観察画角が例えば15°以上と広画角になると、画面周辺が急激に暗くなるため、画面全体の映像品位の低下が大きくなる。   However, in the configuration of Patent Document 1, even in the best state where the observer's pupil (iris) is located at the center of the optical pupil, the diffraction efficiency of light from the periphery of the screen toward the center of the optical pupil is low. The image becomes darker from the center of the screen toward the periphery of the screen. In the configuration of Patent Document 1, since the viewing angle of view is narrow, even though the degradation of the video quality of the entire screen due to the darkness of the screen periphery is small, the viewing angle of view of the video is, for example, 15 ° or more. Then, since the periphery of the screen is darkened suddenly, the video quality of the entire screen is greatly reduced.

また、一般に、映像の観察画角が広い場合には、画面周辺を観察するときに、観察者は眼球を回旋させ、注視点を移動させて観察することになる。このとき、露光時の参照光源の位置を適切に設定しないと(HOEの回折特性を適切に設定しないと)、画面中心を注視したときには臨場感のある映像を観察できなくなり、眼球を回旋させて画面周辺を注視したときには、注視点(画面周辺)の映像を明るく観察することができなくなる。以下、この問題について図面を用いてさらに説明する。   In general, when the viewing angle of view of the video is wide, when observing the periphery of the screen, the observer rotates the eyeball and moves the point of sight to observe. At this time, if the position of the reference light source at the time of exposure is not properly set (if the diffraction characteristics of the HOE are not set appropriately), a realistic image cannot be observed when the center of the screen is watched, and the eyeball is rotated. When the periphery of the screen is watched, the image of the gazing point (the periphery of the screen) cannot be observed brightly. Hereinafter, this problem will be further described with reference to the drawings.

図12(a)(b)は、露光時の参照光源Rの位置を、映像観察時の観察者の瞳(虹彩I)の位置と一致させて作製したHOE101を用いて映像を観察する際に、観察者の瞳に入射する光束を模式的に示す説明図である。なお、虹彩Iの位置は、接眼光学系の光学瞳Pの位置と一致している。また、図中のa1、a2、a3は、表示素子からHOE101を介して光学瞳Pの中心に向かう光線のうちでHOE101での回折効率が最大となる光線であって、それぞれ、画面上端の光線、画面中心の光線、画面下端の光線を示す。さらに、図中のb1、b2、b3は、最大回折効率の光線a1、a2、a3を中心とした比較的強度の高い光の分布範囲(光束)をそれぞれ示している。なお、図中のCは、映像観察時の観察者の眼球の回旋中心を示す。 FIGS. 12A and 12B show a case where an image is observed using the HOE 101 produced by aligning the position of the reference light source R during exposure with the position of the observer's pupil (iris I) during image observation. It is explanatory drawing which shows typically the light beam which injects into an observer's pupil. Note that the position of the iris I coincides with the position of the optical pupil P of the eyepiece optical system. In addition, a 1 , a 2 , and a 3 in the figure are light rays that have the highest diffraction efficiency at the HOE 101 among light rays that travel from the display element to the center of the optical pupil P via the HOE 101, respectively. Shows the top ray, the center ray, and the bottom ray. Further, b 1 , b 2 , and b 3 in the drawing respectively indicate light distribution ranges (light fluxes) having relatively high intensities centered on the light beams a 1 , a 2 , and a 3 having the maximum diffraction efficiency. Note that C in the figure indicates the center of rotation of the eyeball of the observer during video observation.

露光時の参照光源Rの位置を映像観察時の虹彩Iの位置と一致させて作製したHOE101を用いて映像を観察する場合、同図(a)のように眼球を回旋させずに画面中心を注視しているときには、画面中心のみならず画面周辺まで明るく観察することが可能となる。このことは、光束b1、b2、b3が虹彩Iでケラレずに瞳(瞳孔)に入射していることから容易に理解できる。しかし、同図(b)に示すように、観察者が眼球を回旋させて例えば画面上端を注視したときには、HOE101で効率よく回折された光(例えば光束b1に含まれる最大回折効率の光線a1)が虹彩Iでケラレるため、画面上端付近が急激に暗くなる。 When observing an image using the HOE 101 manufactured by aligning the position of the reference light source R at the time of exposure with the position of the iris I at the time of image observation, the center of the screen is not rotated without rotating the eyeball as shown in FIG. When gazing, it is possible to observe not only the center of the screen but also the periphery of the screen brightly. This can be easily understood from the fact that the light beams b 1 , b 2 and b 3 are incident on the pupil (pupil) without vignetting in the iris I. However, as shown in FIG. 5B, when the observer rotates the eyeball and watches the upper end of the screen, for example, the light efficiently diffracted by the HOE 101 (for example, the light beam a having the maximum diffraction efficiency included in the light beam b 1). 1 ) is vignetted by Iris I, so the upper edge of the screen becomes darker.

一方、図13(a)(b)は、露光時の参照光源Rの位置を、映像観察時の回旋中心Cと一致させて作製したHOE102を用いて映像を観察する際に、観察者の瞳に入射する光束を模式的に示す説明図である。HOE102を用いて映像を観察する場合、同図(a)のように観察者が眼球を回旋させて例えば画面上端を注視したときには、注視点(画面上端)近傍を明るく観察することができる。このことは、光束b1が虹彩Iでケラレずに瞳に入射していることから容易に理解できる。しかし、同図(b)に示すように、観察者が画面中心を注視したときには、画面周辺への観察方向(例えば実線c1の方向)と参照光の露光方向(光線a1の方向)との角度差が大きいので、画面周辺が暗くなり、注視点(画面中心)近傍しか明るく観察することができなくなる。 On the other hand, FIGS. 13A and 13B show the observer's pupil when observing an image using the HOE 102 produced by aligning the position of the reference light source R during exposure with the rotation center C during image observation. It is explanatory drawing which shows typically the light beam which injects into. When observing an image using the HOE 102, when the observer turns the eyeball and looks at the upper end of the screen, for example, as shown in FIG. This can be easily understood from the fact that the light beam b 1 is incident on the pupil without vignetting in the iris I. However, as shown in FIG. 4B, when the observer gazes at the center of the screen, the observation direction to the periphery of the screen (for example, the direction of the solid line c 1 ) and the exposure direction of the reference light (the direction of the light beam a 1 ) Since the angle difference is large, the periphery of the screen becomes dark, and only the vicinity of the gazing point (screen center) can be observed brightly.

観察者に臨場感や没入感のある映像を観察させるためには、注視点近辺のみならず、その周辺の映像光もある程度は観察者の瞳に入射させる必要がある(このときに周辺の映像の解像までは要求されない)。したがって、上記のように画面中心を注視したときに画面周辺が暗いと、観察者は臨場感のある映像を観察することができなくなる。   In order for the observer to observe a realistic or immersive image, not only the vicinity of the gazing point but also the surrounding image light must enter the observer's pupil to some extent (at this time the surrounding image Is not required until resolution). Accordingly, if the periphery of the screen is dark when the center of the screen is watched as described above, the observer cannot observe a realistic image.

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、画面周辺の観察時に眼球の回旋を伴うような広画角で、かつ、参照光源の位置が光学瞳とはずれて作製したHOEを用いる構成において、画面中心を注視したときには画面周辺を明るく観察でき、これによって臨場感のある映像を観察できるとともに画面全体の映像品位の低下を回避できる一方、画面周辺を注視したときには注視点の映像を明るく観察できる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイとを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its purpose a wide angle of view that involves the rotation of the eyeball when observing the periphery of the screen, and the position of the reference light source deviates from the optical pupil. In the configuration using the HOE produced in this way, when looking at the center of the screen, the periphery of the screen can be observed brightly, so that a realistic image can be observed and the deterioration of the image quality of the entire screen can be avoided, while the periphery of the screen is closely watched. Sometimes, it is to provide a video display device capable of brightly observing a video image of a gazing point and a head mounted display including the video display device.

本発明の映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、上記表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系とを備え、上記接眼光学系が、上記表示素子からの映像光を光学瞳方向に回折反射させる一方、外界光を透過させて光学瞳に導く体積位相型で反射型のホログラム光学素子を有し、光学瞳の位置に観察者の瞳を位置させることにより、上記映像と同時に外界を観察させる、上記映像の観察画角が15°以上の映像表示装置であって、上記表示素子の表示面の中心から射出された所定波長領域の光線のうち光学瞳中心を通る光線における回折効率最大の波長をλ0とし、上記表示素子の表示面の周辺部から射出された上記所定波長領域の光線のうち光学瞳中心を通る光線における回折効率最大の波長をλyとし、観察画角の半画角をθとしたとき、
0.08<|((λy/λ0)−1)/sinθ|<0.2
を満足することを特徴としている。
An image display device of the present invention includes a display element that displays an image, and an eyepiece optical system that guides image light from the display element to an optical pupil, and the eyepiece optical system optically transmits image light from the display element. While diffracting and reflecting in the pupil direction, and having a volume phase type reflection hologram optical element that transmits external light and guides it to the optical pupil, the observer's pupil is positioned at the position of the optical pupil. Simultaneously observing the outside world, the image display device having an observation angle of 15 ° or more for the image, in a light ray passing through the center of the optical pupil among light rays of a predetermined wavelength region emitted from the center of the display surface of the display element. The wavelength of maximum diffraction efficiency is λ 0, and the wavelength of maximum diffraction efficiency in the light passing through the center of the optical pupil among the light in the predetermined wavelength region emitted from the periphery of the display surface of the display element is λy, and the viewing angle of view The half angle of view is θ When
0.08 <| ((λy / λ 0 ) −1) / sin θ | <0.2
It is characterized by satisfying.

本発明の映像表示装置において、上記表示素子からの映像光は、少なくとも1つの強度ピーク波長λpeakを有しており、上記強度ピーク波長λpeakを含む、強度ピークの半値波長全幅をFWHMとしたとき、少なくとも1つの強度ピーク波長λpeakに対応した波長領域の全てにおいて、
|λpeak−λ0|/FWHM<0.4
を満足することが望ましい。
In the image display device of the present invention, the image light from the display element has at least one intensity peak wavelength λpeak, and when the full width at half maximum of the intensity peak including the intensity peak wavelength λpeak is FWHM, In all of the wavelength regions corresponding to at least one intensity peak wavelength λpeak,
| Λpeak−λ 0 | / FWHM <0.4
It is desirable to satisfy

本発明の映像表示装置は、500nm<λ0<600nmの波長領域において、
|λpeak−λ0|/FWHM<0.2
を満足することがさらに望ましい。
The video display device of the present invention has a wavelength region of 500 nm <λ 0 <600 nm.
| Λpeak−λ 0 | / FWHM <0.2
It is further desirable to satisfy

本発明の映像表示装置は、観察画角が20°以上であり、上記表示素子の表示面における半画角10°に対応する位置から射出された所定波長領域の光線のうち光学瞳中心を通る光線における回折効率最大の波長をλ10としたとき、少なくとも1つの強度ピーク波長λpeakに対応した波長領域の全てにおいて、
|λ10−λ0|/FWHM<0.9
を満足することが望ましい。
The image display device of the present invention has an observation angle of view of 20 ° or more, and passes through the center of the optical pupil among rays in a predetermined wavelength region emitted from a position corresponding to a half angle of view of 10 ° on the display surface of the display element. when the wavelength of the diffraction efficiency up in light and with lambda 10, in all the wavelength region corresponding to at least one intensity peak wavelength Ramudapeak,
| Λ 10 −λ 0 | / FWHM <0.9
It is desirable to satisfy

本発明の映像表示装置は、500nm<λ0<600nmの波長領域において、
|λ10−λ0|/FWHM<0.4
を満足することがさらに望ましい。
The video display device of the present invention has a wavelength region of 500 nm <λ 0 <600 nm.
| Λ 10 −λ 0 | / FWHM <0.4
It is further desirable to satisfy

本発明の映像表示装置は、上記表示素子を照明する光源をさらに備え、上記光源は、上記光学瞳と略共役に配置されている構成であってもよい。   The video display device of the present invention may further include a light source that illuminates the display element, and the light source may be arranged substantially conjugate with the optical pupil.

本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した本発明の映像表示装置と、上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴としている。   The head-mounted display of the present invention includes the above-described video display device of the present invention and support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes.

本発明のヘッドマウントディスプレイにおいて、上記支持手段は、上記映像表示装置の接眼光学系と観察者の瞳との距離を調整する調整機構を備えている構成であってもよい。   In the head-mounted display of the present invention, the support means may include an adjustment mechanism that adjusts the distance between the eyepiece optical system of the video display device and the pupil of the observer.

本発明のヘッドマウントディスプレイにおいて、上記映像表示装置の表示素子は、上記調整機構による距離調整時に、光学瞳の位置調整用の指標を表示することが望ましい。   In the head mounted display of the present invention, it is preferable that the display element of the video display device displays an index for adjusting the position of the optical pupil when the distance is adjusted by the adjusting mechanism.

観察画角が15°以上の広画角の映像表示装置では、画面周辺を観察するときに観察者の眼球の回旋を伴う。このような広画角の構成において、所定の条件式を満足する、つまり、露光時の参照光源を映像観察時の回旋中心と虹彩位置との間の所定範囲に位置させて作製したHOEを用いることにより、画面中心を注視したときには画面中心のみならず画面周辺も明るく観察することができる。これにより、臨場感のある映像を観察することができるとともに、画面全体の映像品位の低下を回避することができる。また、所定の条件式を満足することにより、眼球を回旋させて画面周辺を注視したときでも、注視点(画面周辺)の映像を明るく高品位な映像として観察することができる。   In a wide-angle video display device with an observation angle of view of 15 ° or more, the observer's eyeball is rotated when the periphery of the screen is observed. In such a wide field angle configuration, a predetermined conditional expression is satisfied, that is, a HOE manufactured by positioning a reference light source at the time of exposure in a predetermined range between the rotation center and the iris position at the time of image observation is used. As a result, when the center of the screen is watched, not only the center of the screen but also the periphery of the screen can be observed brightly. As a result, it is possible to observe a realistic video, and to avoid a reduction in the video quality of the entire screen. Further, by satisfying the predetermined conditional expression, even when the eyeball is rotated and the periphery of the screen is watched, the image of the gazing point (the periphery of the screen) can be observed as a bright and high-quality image.

本発明の映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the outline of the video display apparatus of this invention. 上記映像表示装置の光源の分光強度特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the spectral intensity characteristic of the light source of the said video display apparatus. 上記映像表示装置のHOEを製造する光学系の主要部を拡大して示す説明図である。It is explanatory drawing which expands and shows the principal part of the optical system which manufactures HOE of the said video display apparatus. 本発明の他の映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the schematic structure of the other video display apparatus of this invention. 上記映像表示装置のHOEを製造する光学系の主要部を拡大して示す説明図である。It is explanatory drawing which expands and shows the principal part of the optical system which manufactures HOE of the said video display apparatus. 各映像表示装置のHOEを作製するための露光時の参照光源の位置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the position of the reference light source at the time of exposure for producing HOE of each video display apparatus. (a)は、HOEを作製するためのホログラム感光材料の露光時の製造光学系の主光線の光路を示す説明図であり、(b)は、再生時の主光線の光路を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows the optical path of the principal ray of the manufacturing optical system at the time of exposure of the hologram photosensitive material for producing HOE, (b) is explanatory drawing which shows the optical path of the principal ray at the time of reproduction | regeneration is there. (a)は、参照光源が回旋中心に位置するときの、虹彩断面での虹彩と映像光束との位置関係を示す説明図であり、(b)は、参照光源が虹彩と回旋中心との間に位置するときの、虹彩断面での虹彩と映像光束との位置関係を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows the positional relationship of the iris and image light beam in an iris cross section when a reference light source is located in the rotation center, (b) is between an iris and a rotation center. It is explanatory drawing which shows the positional relationship of the iris and image light flux in an iris cross section when located in FIG. (a)は、参照光源の位置が光学瞳と一致している場合において、10°の画角の映像光束と虹彩との虹彩断面での位置関係を示す説明図であり、(b)は、参照光源が虹彩と回旋中心との間に位置するときの、虹彩断面での上記映像光束と虹彩との位置関係を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows the positional relationship in the iris cross section of the image light beam of a 10 degree angle of view, and an iris, when the position of a reference light source corresponds with an optical pupil, (b) It is explanatory drawing which shows the positional relationship of the said image light beam and iris in an iris cross section when a reference light source is located between an iris and a rotation center. 映像表示装置が適用されるHMDの概略の構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a schematic configuration of an HMD to which a video display device is applied. 上記映像表示装置の表示素子の表示画面例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of a display screen of the display element of the said video display apparatus. (a)は、露光時の参照光源の位置を映像観察時の観察者の瞳の位置と一致させて作製したHOEを用いた場合に、画面中心を注視しているときに観察者の瞳に入射する光束を模式的に示す説明図であり、(b)は、眼球を回旋させて画面上端を注視しているときに観察者の瞳に入射する光束を模式的に示す説明図である。(A) shows a case where an HOE produced by matching the position of the reference light source at the time of exposure with the position of the observer's pupil at the time of image observation is used as the observer's pupil when gazing at the center of the screen. It is explanatory drawing which shows typically the incident light beam, (b) is explanatory drawing which shows typically the light beam which injects into an observer's pupil when rotating the eyeball and gazing at the upper end of a screen. (a)は、露光時の参照光源の位置を映像観察時の回旋中心と一致させて作製したHOEを用いた場合に、眼球を回旋させて画面上端を注視しているときに観察者の瞳に入射する光束を模式的に示す説明図であり、(b)は、画面中心を注視しているときに観察者の瞳に入射する光束を模式的に示す説明図である。(A) shows the observer's pupil when using the HOE produced by aligning the position of the reference light source at the time of exposure with the center of rotation at the time of video observation and gazing at the upper end of the screen by rotating the eyeball. FIG. 5B is an explanatory diagram schematically showing a light beam incident on the observer's pupil when gazing at the center of the screen.

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

〔第1の映像表示装置について〕
図1は、本発明の実施の一形態に係る第1の映像表示装置1aの概略の構成を示す断面図である。映像表示装置1aにおける映像の観察画角は、例えば、水平方向26.3°、上下方向15°、対角方向30.1°であり、いずれの方向にも15°以上の広画角となっている。したがって、画面周辺の観察時には、回旋中心Cを中心として観察者の眼球Eの回旋が自然に生じることになる。この映像表示装置1aは、光源11と、照明光学系12と、表示素子13と、接眼光学系14とを有している。
[About the first video display device]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a first video display device 1a according to an embodiment of the present invention. The observation angle of view of the image in the image display device 1a is, for example, 26.3 ° in the horizontal direction, 15 ° in the vertical direction, and 30.1 ° in the diagonal direction, and has a wide angle of view of 15 ° or more in any direction. ing. Therefore, when the periphery of the screen is observed, rotation of the eyeball E of the observer naturally occurs around the rotation center C. The video display device 1 a includes a light source 11, an illumination optical system 12, a display element 13, and an eyepiece optical system 14.

光源11は、表示素子13を照明するものであり、赤(R)、緑(G)、青(B)の3原色に対応する波長の光を発光する3つの発光部を有するRGB一体型のLEDで構成されている。   The light source 11 illuminates the display element 13 and is an RGB-integrated type having three light emitting units that emit light having wavelengths corresponding to the three primary colors of red (R), green (G), and blue (B). It consists of LEDs.

ここで、図2は、光源11の分光強度特性、すなわち、出射光の波長λ1と光強度(発光強度)との関係を示す説明図である。光源11から出射されるBGRの光の中心波長(強度ピーク波長、使用波長)をそれぞれλ1B、λ1G、λ1Rとすると、例えば、λ1B=457nm、λ1G=516nm、λ1R=636nmである。また、光源11からの出射光の強度ピークの半値波長全幅をFWHM(Full Width at Half Maximum)とすると、BGRの各FWHMは、例えば、28.6nm(±14.3nm)、44.6nm(±22.3nm)、21.0nm(±10.5nm)である。なお、図2の縦軸の光強度は、R光の最大光強度に対するB光およびG光の光強度の相対値を示している。なお、光源11は、BGRの少なくともいずれかの光を発光する構成であればよく、例えば単色のG光のみを発光する構成であってもよい。 Here, FIG. 2 is an explanatory diagram showing the spectral intensity characteristics of the light source 11, that is, the relationship between the wavelength λ1 of the emitted light and the light intensity (light emission intensity). Assuming that the central wavelengths (intensity peak wavelength, use wavelength) of the BGR light emitted from the light source 11 are λ1 B , λ1 G , and λ1 R , respectively, for example, λ1 B = 457 nm, λ1 G = 516 nm, and λ1 R = 636 nm. is there. If the full width at half maximum of the intensity peak of the emitted light from the light source 11 is FWHM (Full Width at Half Maximum), each FWHM of BGR is, for example, 28.6 nm (± 14.3 nm), 44.6 nm (± 22.3 nm) and 21.0 nm (± 10.5 nm). Note that the light intensity on the vertical axis in FIG. 2 indicates the relative value of the light intensity of the B light and the G light with respect to the maximum light intensity of the R light. The light source 11 may be configured to emit at least one of BGR light, and may be configured to emit only monochromatic G light, for example.

上記の光源11(発光面)は、接眼光学系14によって形成される光学瞳Pと略共役となるように配置されている。これにより、光源11からの光が効率よく光学瞳Pに導かれるので、光学瞳Pの位置に観察者の瞳を位置させたときに(例えば光学瞳Pの中心と虹彩Iの中心とを一致させたときに)、観察者は明るい映像を観察することができる。なお、光源11の発光面積が共役な光学瞳位置(虹彩位置)で小さすぎる場合は、発光面に拡散板を挿入し、擬似的に発光面積を大きくしてもよい。   The light source 11 (light emitting surface) is disposed so as to be substantially conjugate with the optical pupil P formed by the eyepiece optical system 14. As a result, the light from the light source 11 is efficiently guided to the optical pupil P. Therefore, when the observer's pupil is positioned at the position of the optical pupil P (for example, the center of the optical pupil P coincides with the center of the iris I). The viewer can observe a bright image. If the light emission area of the light source 11 is too small at the conjugate optical pupil position (iris position), a diffusion plate may be inserted on the light emission surface to increase the light emission area in a pseudo manner.

照明光学系12は、光源11から射出された光を集光して表示素子13に導くものであり、例えば凹面反射面を有する1枚のミラーで構成されている。表示素子13は、光源からの光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、例えば透過型のLCDで構成されている。表示素子13は、矩形の表示画面の長辺方向が水平方向(図1の紙面に垂直な方向)となり、短辺方向がそれに垂直な方向となるように配置されている。   The illumination optical system 12 condenses the light emitted from the light source 11 and guides it to the display element 13, and is composed of, for example, a single mirror having a concave reflecting surface. The display element 13 modulates the light from the light source according to the image data and displays an image, and is composed of, for example, a transmissive LCD. The display element 13 is arranged so that the long side direction of the rectangular display screen is the horizontal direction (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1) and the short side direction is the direction perpendicular thereto.

接眼光学系14は、表示素子13からの映像光を光学瞳P(または光学瞳Pの位置にある観察者の瞳)に導く光学系であり、接眼プリズム21と、偏向プリズム22と、HOE23とを有して構成されている。   The eyepiece optical system 14 is an optical system that guides the image light from the display element 13 to the optical pupil P (or the observer's pupil at the position of the optical pupil P). The eyepiece prism 21, the deflection prism 22, the HOE 23, and the like. It is comprised.

接眼プリズム21は、表示素子13からの映像光を内部で全反射させてHOE23を介して光学瞳Pに導く一方、外界光を透過させて光学瞳Pに導くものであり、偏向プリズム22とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム21は、平行平板の下端部を楔状にした形状で構成されている。接眼プリズム21の上端面は、映像光の入射面としての面21aとなっており、前後方向に位置する2面は、互いに平行な面21b・21cとなっている。   The eyepiece prism 21 totally reflects the image light from the display element 13 and guides it to the optical pupil P through the HOE 23, while transmitting the external light to the optical pupil P. Together with the deflection prism 22, For example, it is made of an acrylic resin. The eyepiece prism 21 has a shape in which the lower end portion of the parallel plate is wedge-shaped. The upper end surface of the eyepiece prism 21 is a surface 21a as an incident surface for image light, and the two surfaces positioned in the front-rear direction are surfaces 21b and 21c parallel to each other.

偏向プリズム22は、平面視で略U字型の平行平板で構成されており(図10参照)、接眼プリズム21の下端部および両側面部(左右の各端面)と貼り合わされたときに、接眼プリズム21と一体となって略平行平板となるものである。偏向プリズム22は、HOE23を挟むように接眼プリズム21と隣接または接着して設けられている。これにより、観察者が接眼プリズム21を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。   The deflecting prism 22 is configured by a substantially U-shaped parallel plate in plan view (see FIG. 10), and when the deflecting prism 22 is bonded to the lower end portion and both side surface portions (left and right end surfaces) of the eyepiece prism 21, the eyepiece prism. 21 is a substantially parallel flat plate. The deflection prism 22 is provided adjacent to or attached to the eyepiece prism 21 so as to sandwich the HOE 23. Thereby, distortion can be prevented from occurring in the external image observed by the observer through the eyepiece prism 21.

つまり、例えば、偏向プリズム22を設けない場合、外界光は接眼プリズム21の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、接眼プリズム21を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム21に偏向プリズム22を接合して一体的な略平行平板を形成することで、外界光が接眼プリズム21の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム22でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。   That is, for example, when the deflecting prism 22 is not provided, external light is refracted when passing through the wedge-shaped lower end portion of the eyepiece prism 21, so that the external image observed through the eyepiece prism 21 is distorted. However, the deflection prism 22 is joined to the eyepiece prism 21 to form an integral substantially parallel flat plate, so that the deflection when the external light passes through the wedge-shaped lower end of the eyepiece prism 21 is canceled by the deflection prism 22. Can do. As a result, it is possible to prevent distortion in the external image observed through the see-through.

HOE23は、表示素子13からの映像光(BGRの各光)を光学瞳Pの方向に回折反射させる一方、外界光を透過させて光学瞳Pに導く体積位相型の反射型ホログラム光学素子であり、接眼プリズム21において偏向プリズム22との接合面に設けられている。HOE23は、軸非対称な正の光学的パワーを有しており、正の光学的パワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。   The HOE 23 is a volume phase type reflection hologram optical element that diffracts and reflects the image light (BGR light) from the display element 13 in the direction of the optical pupil P and transmits the external light to the optical pupil P. The eyepiece prism 21 is provided on the joint surface with the deflecting prism 22. The HOE 23 has an axially asymmetric positive optical power, and has the same function as an aspherical concave mirror having a positive optical power. Thereby, the degree of freedom of arrangement of each optical member constituting the apparatus can be increased, and the apparatus can be easily reduced in size, and an image with good aberration correction can be provided to the observer.

上記構成の映像表示装置1aにおいて、光源11から射出された光は、照明光学系12にてほぼコリメート光に変換されて表示素子13に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。表示素子13からの映像光は、接眼光学系14の接眼プリズム21の内部に面21aから入射し、続いて面21b・21cで少なくとも1回ずつ全反射されてHOE23に入射する。HOE23は、光源11のRGBそれぞれの発光ピーク波長を含む前後の波長域に対して凹面ミラーと等価な光学機能を有し、それ以外の波長域に対しては、そのような光学機能を有しないコンバイナとして作用する。したがって、HOE23に入射した光は、そこで回折反射されて光学瞳Pに達し、同時に、外界光もHOE23を透過して、光学瞳Pに向かう。よって、光学瞳Pの位置に観察者の瞳(虹彩I)を位置させることにより、観察者は、表示素子11に表示された映像(拡大虚像)と同時に外界をシースルーで観察することができる。   In the video display device 1a having the above configuration, the light emitted from the light source 11 is converted into substantially collimated light by the illumination optical system 12 and enters the display element 13, where it is modulated and emitted as video light. The image light from the display element 13 enters the inside of the eyepiece prism 21 of the eyepiece optical system 14 from the surface 21a, and then is totally reflected by the surfaces 21b and 21c at least once and enters the HOE 23. The HOE 23 has an optical function equivalent to that of the concave mirror for the front and rear wavelength ranges including the emission peak wavelengths of RGB of the light source 11, and does not have such an optical function for the other wavelength ranges. Acts as a combiner. Therefore, the light incident on the HOE 23 is diffracted and reflected there and reaches the optical pupil P. At the same time, external light passes through the HOE 23 and travels toward the optical pupil P. Therefore, by locating the observer's pupil (iris I) at the position of the optical pupil P, the observer can observe the outside world see-through simultaneously with the image (enlarged virtual image) displayed on the display element 11.

次に、上記したHOE23の製造方法について説明する。図3は、HOE23の製造光学系の主要部を拡大して示す説明図である。反射型のカラーホログラムであるHOE23は、BGRのそれぞれについて、2光束を用いて基板(接眼プリズム21)上のホログラム感光材料23aを露光し、2光束の干渉による干渉縞を記録することによって作製される。このとき、一方の光束は、ホログラム感光材料23aに対して基板とは反対側から照射されるが、この光束を物体光と呼ぶことにする。また、他方の光束は、ホログラム感光材料23aに対して基板側から照射されるが、この光束を参照光と呼ぶことにする。なお、BGRの露光波長(参照光、物体光の波長)をそれぞれλ2B、λ2G、λ2Rとすると、図2に示すように、例えば、λ2B=476.5nm、λ2G=532nm、λ2R=647nmである。 Next, a method for manufacturing the above HOE 23 will be described. FIG. 3 is an explanatory view showing, in an enlarged manner, main parts of the manufacturing optical system of the HOE 23. As shown in FIG. The HOE 23, which is a reflection type color hologram, is manufactured by exposing the hologram photosensitive material 23a on the substrate (eyepiece prism 21) using two light beams and recording interference fringes due to the interference of the two light beams for each BGR. The At this time, one light beam is irradiated to the hologram photosensitive material 23a from the side opposite to the substrate, and this light beam is referred to as object light. The other light beam is irradiated from the substrate side to the hologram photosensitive material 23a. This light beam is referred to as reference light. Assuming that the exposure wavelengths (reference light and object light) of BGR are λ2 B , λ2 G , and λ2 R , respectively, for example, λ2 B = 476.5 nm, λ2 G = 532 nm, λ2 as shown in FIG. R = 647 nm.

物体光生成側の光学系において、点光源31からのRGBの発散光は、光学的なパワーを有する反射面である自由曲面ミラー32によって所定の波面に整形され、平面反射ミラー33で反射された後、色補正プリズム34を介してホログラム感光材料23aに照射される。なお、色補正プリズム34における物体光の入射面である面34aは、再生時(映像観察時)に用いられる接眼光学系14の接眼プリズム21の面21aでの映像光の屈折に起因して発生する色収差を打ち消すように、その角度が決定されている。このとき、色補正プリズム34は、表面反射によるゴーストを防止するためにホログラム感光材料23aに対して密着して配置されるか、エマルジョンオイルなどを介して配置されることが望ましい。   In the optical system on the object light generation side, RGB divergent light from the point light source 31 is shaped into a predetermined wavefront by a free-form surface mirror 32 which is a reflection surface having optical power, and is reflected by the plane reflection mirror 33. Thereafter, the hologram photosensitive material 23 a is irradiated through the color correction prism 34. The surface 34a that is the incident surface of the object light in the color correction prism 34 is generated due to the refraction of the image light on the surface 21a of the eyepiece prism 21 of the eyepiece optical system 14 that is used during reproduction (image observation). The angle is determined so as to cancel the chromatic aberration. At this time, it is desirable that the color correction prism 34 is disposed in close contact with the hologram photosensitive material 23a in order to prevent a ghost due to surface reflection, or is disposed via emulsion oil or the like.

一方、参照光生成側の光学系において、参照光源であるRGBの各点光源41R・41G・41Bからの発散光(例えば球面波)は、参照光としてホログラム感光材料23aに接眼プリズム21側から照射される。本実施形態では、各点光源41R・41G・41Bは、再生時の光学瞳Pの位置よりも接眼プリズム21から遠ざかった位置、つまり、光学瞳Pに対してホログラム光学素子23とは反対側の位置であって、光学瞳面にほぼ平行な面上で同一位置にある。なお、露光時の参照光源は、映像観察時の観察者の眼球Eの回旋中心Cと、光学瞳Pに配置される観察者の瞳(虹彩I)との間の所定範囲に位置しているが、その詳細については後述する。   On the other hand, in the optical system on the reference light generation side, divergent light (for example, spherical waves) from the RGB point light sources 41R, 41G, and 41B, which are reference light sources, is irradiated from the eyepiece prism 21 side to the hologram photosensitive material 23a as reference light. Is done. In the present embodiment, the point light sources 41R, 41G, and 41B are positioned farther from the eyepiece prism 21 than the position of the optical pupil P at the time of reproduction, that is, on the side opposite to the hologram optical element 23 with respect to the optical pupil P. And is in the same position on a plane substantially parallel to the optical pupil plane. In addition, the reference light source at the time of exposure is located in a predetermined range between the rotation center C of the eyeball E of the observer at the time of video observation and the pupil (iris I) of the observer arranged on the optical pupil P. The details will be described later.

上記のように、RGBのそれぞれについて物体光および参照光の2光束でホログラム感光材料23aを露光することにより、その2光束の干渉によってホログラム感光材料23aに干渉縞が形成され、HOE23が作製される。このとき、2光束による露光は、RGBについて同時に行ってもよいし、順次に行ってもよい。   As described above, by exposing the hologram photosensitive material 23a with two light beams of object light and reference light for each of RGB, interference fringes are formed in the hologram photosensitive material 23a by interference of the two light beams, and the HOE 23 is manufactured. . At this time, the exposure with two light beams may be performed simultaneously for RGB or sequentially.

なお、本実施形態では、製造光学系を設計するにあたり、製造光学系の片側(物体光生成側)の波面生成光学系をRGBの3色で共通とするために、一つの色(例えばRGBのうちで波長が真ん中に位置するG)についてHOE23の位相関数を最適化し、設定している。ここで、位相関数とは、入射光と回折光とにおける波面の位相ずれを表す関数であり、HOE23を光学的に定義する手法の一つである。   In this embodiment, when designing the manufacturing optical system, one color (for example, RGB) is used in order to make the wavefront generation optical system on one side (object light generation side) of the manufacturing optical system common to the three colors RGB. Among them, the phase function of the HOE 23 is optimized and set for G) where the wavelength is in the middle. Here, the phase function is a function representing the phase shift of the wavefront between the incident light and the diffracted light, and is one of the methods for optically defining the HOE 23.

〔第2の映像表示装置について〕
図4は、本発明の他の実施の形態に係る第2の映像表示装置1bの概略の構成を示す断面図である。映像表示装置1bにおける映像の観察画角は、例えば、水平方向41.5°、上下方向33°、対角方向50°であり、いずれの方向にも20°以上の広画角となっている。したがって、第2の映像表示装置1bにおいても、第1の映像表示装置1aの場合と同様に、画面周辺の観察時には、回旋中心Cを中心として観察者の眼球Eの回旋が自然に生じることになる。この映像表示装置1bは、映像表示装置1aとは照明光学系12の構成が大きく異なっている。
[About the second video display device]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a second video display device 1b according to another embodiment of the present invention. The observation angle of view of the image in the image display device 1b is, for example, 41.5 ° in the horizontal direction, 33 ° in the vertical direction, and 50 ° in the diagonal direction, and has a wide angle of view of 20 ° or more in any direction. . Therefore, in the second video display device 1b, as in the case of the first video display device 1a, the rotation of the eyeball E of the observer naturally occurs around the rotation center C when observing the periphery of the screen. Become. The video display device 1b is significantly different from the video display device 1a in the configuration of the illumination optical system 12.

照明光学系12は、光源11側から、正のパワーを有する第1群12Aと、正のパワーを有する第2群12Bとを有している。第1群12Aは、光源11側から、コリメータレンズ51、第1のフレネルレンズ52および反射ミラー53を有している。一方、第2群12Bは、第2のフレネルレンズ54を有している。   The illumination optical system 12 includes, from the light source 11 side, a first group 12A having a positive power and a second group 12B having a positive power. The first group 12A includes a collimator lens 51, a first Fresnel lens 52, and a reflection mirror 53 from the light source 11 side. On the other hand, the second group 12B has a second Fresnel lens 54.

照明光学系12を正、正の2群構成とすることにより、照明光学系12を1個の光学素子で構成する場合に比べて、光が進行する方向において照明光学系12の長さを短くしながら、大きなNAを確保することが可能となる。しかも、第1群12Aが少なくとも1面の反射面(反射ミラー53)を有していることにより、照明光学系12の光路を折りたたんで、照明光学系12が前後に飛び出さないようにすることができる。つまり、小型、コンパクトで、高NAの照明光学系12を実現することができる。したがって、表示素子13としてサイズの大きなものを用いた場合でも、上記照明光学系12を用いて、小型、コンパクトで、広画角の映像表示装置1bを実現することができる。   By making the illumination optical system 12 into a positive and positive two-group configuration, the length of the illumination optical system 12 is shortened in the direction in which the light travels, compared to the case where the illumination optical system 12 is configured with one optical element. However, a large NA can be secured. In addition, since the first group 12A has at least one reflecting surface (reflecting mirror 53), the optical path of the illumination optical system 12 is folded so that the illumination optical system 12 does not jump back and forth. Can do. That is, the illumination optical system 12 that is small and compact and has a high NA can be realized. Therefore, even when a large display element 13 is used, the illumination optical system 12 can be used to realize a small, compact, and wide-angle video display device 1b.

また、映像表示装置1bにおいて、表示素子13からの映像光は、接眼光学系14の接眼プリズム21の内部に面21aから入射し、続いて面21b・21cで1回ずつ全反射されてHOE23に入射する。つまり、接眼プリズム21内部での映像光の全反射回数は、映像表示装置1aよりも1回少ない。これは、光学系の厚みも考慮して全体の大きさをコンパクトにするために、反射回数を最適化したことによる。   In the image display device 1b, the image light from the display element 13 is incident on the inside of the eyepiece prism 21 of the eyepiece optical system 14 from the surface 21a, and then totally reflected once by the surfaces 21b and 21c to the HOE 23. Incident. In other words, the total number of reflections of the image light inside the eyepiece prism 21 is one less than that of the image display device 1a. This is because the number of reflections is optimized in order to reduce the overall size in consideration of the thickness of the optical system.

図5は、映像表示装置1bのHOE23の製造光学系の主要部を拡大して示す説明図であるが、基本的には、図3で示した製造光学系と同様である。ただし、参照光源としてのRGBの各点光源41R・41G・41Bは、使用状態における光源11の強度ピーク波長(使用波長)λ1の光のHOE23での回折角がBGRで一致するように、使用波長λ1と露光波長λ2とのずれに応じて、光学瞳面にほぼ平行な面上で位置をずらして配置されている。これにより、使用波長λ1と露光波長λ2とのずれに起因して、再生時にHOE23を介して観察される映像に色ムラが生じるのを抑えることができる。なお、ホログラム感光材料23aの露光方法については、図3の場合と同様であるため、ここではその説明を省略する。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing an enlarged main part of the manufacturing optical system of the HOE 23 of the video display device 1b, but is basically the same as the manufacturing optical system shown in FIG. However, the RGB point light sources 41R, 41G, and 41B as the reference light sources are used in such a manner that the diffraction angle at the HOE 23 of the light having the intensity peak wavelength (use wavelength) λ1 of the light source 11 in use is matched with BGR. The positions are shifted on a plane substantially parallel to the optical pupil plane in accordance with the shift between λ1 and exposure wavelength λ2. As a result, it is possible to suppress the occurrence of color unevenness in the image observed through the HOE 23 during reproduction due to the difference between the use wavelength λ1 and the exposure wavelength λ2. The method for exposing the hologram photosensitive material 23a is the same as that in the case of FIG.

〔条件式について〕
次に、各種の条件式について説明する。図6は、映像表示装置1a・1bのHOE23を作製するための露光時の参照光源Rの位置を示す説明図である。上述した映像表示装置1a・1bは、映像の観察画角が15°以上の構成において、表示素子13の表示面の中心から射出された所定波長領域の光線のうち光学瞳Pの中心を通る光線M1における回折効率最大の波長をλ0(nm)とし、表示素子13の表示面の周辺部から射出された上記所定波長領域の光線のうち光学瞳Pの中心を通る光線M2(M3)における回折効率最大の波長をλy(nm)とし、観察画角の半画角をθ(°)としたとき、
0.08<|((λy/λ0)−1)/sinθ|<0.2 ・・・(1)
を満足している。
[Regular expressions]
Next, various conditional expressions will be described. FIG. 6 is an explanatory diagram showing the position of the reference light source R at the time of exposure for producing the HOE 23 of the video display devices 1a and 1b. The video display devices 1a and 1b described above have a configuration in which the viewing angle of view of the video is 15 ° or more, and the light beams passing through the center of the optical pupil P among the light beams in a predetermined wavelength region emitted from the center of the display surface of the display element 13. The maximum wavelength of diffraction efficiency at M 1 is λ 0 (nm), and the light ray M 2 (M 3) that passes through the center of the optical pupil P among the light rays in the predetermined wavelength region emitted from the peripheral portion of the display surface of the display element 13. ) When the maximum wavelength of diffraction efficiency is λy (nm) and the half angle of view is θ (°),
0.08 <| ((λy / λ 0 ) −1) / sin θ | <0.2 (1)
Is satisfied.

観察画角が15°以上の広画角の映像表示装置1a・1bでは、上述したように、画面周辺を観察するときに観察者の眼球Eの回旋を伴う。条件式(1)は、映像観察時の回旋中心Cと虹彩Iとの間における、露光時の所定波長領域の参照光源Rの位置の適切な範囲(HOE23の回折特性)を規定している。なお、所定波長領域とは、例えばRGBの少なくともいずれかの波長領域を考えることができる。   In the video display devices 1a and 1b having a wide angle of view with an observation angle of view of 15 ° or more, as described above, the observer's eyeball E is rotated when the periphery of the screen is observed. Conditional expression (1) defines an appropriate range (diffractive characteristics of the HOE 23) of the position of the reference light source R in a predetermined wavelength region during exposure between the rotation center C and the iris I during image observation. For example, at least one of the wavelength regions of RGB can be considered as the predetermined wavelength region.

条件式(1)の値が下限値以下の場合、露光時の参照光源Rの位置が映像観察時の虹彩Iの位置に近づきすぎる。この場合、その露光によって作製されたHOE23を用いて映像を観察すると、画面中心を注視しているときには、画面中心のみならず画面周辺まで明るく観察可能となるが、眼球Eを回旋させて画面周辺を注視したときには、HOE23で効率よく回折された光が虹彩Iでケラレるため、画面周辺が急激に暗くなる(図12(a)(b)参照)。   When the value of conditional expression (1) is less than or equal to the lower limit value, the position of the reference light source R during exposure is too close to the position of the iris I during image observation. In this case, when the image is observed using the HOE 23 produced by the exposure, when gazing at the center of the screen, not only the center of the screen but also the periphery of the screen can be observed brightly. When gazing at, the light efficiently diffracted by the HOE 23 is vignetted by the iris I, so the periphery of the screen suddenly becomes dark (see FIGS. 12A and 12B).

一方、条件式(1)の値が上限値以上の場合、露光時の参照光源Rの位置が映像観察時の回旋中心Cに近づきすぎる。この場合、その露光によって作製されたHOE23を用いて映像を観察すると、眼球Eを回旋させて画面周辺を注視したときには、注視点(画面周辺)近傍を明るく観察することはできるが、画面中心を注視したときには、画面周辺への観察方向と参照光の露光方向との角度差が大きいので、画面周辺が暗くなる(図13(a)(b)参照)。   On the other hand, when the value of conditional expression (1) is equal to or greater than the upper limit value, the position of the reference light source R during exposure is too close to the rotation center C during image observation. In this case, when an image is observed using the HOE 23 produced by the exposure, when the eyeball E is rotated and the periphery of the screen is observed, the vicinity of the gazing point (the periphery of the screen) can be observed brightly, but the center of the screen is observed. When gazing, the angle difference between the observation direction to the periphery of the screen and the exposure direction of the reference light is large, so that the periphery of the screen becomes dark (see FIGS. 13A and 13B).

したがって、観察画角が15°以上の広画角の構成において、条件式(1)を満足することにより、つまり、露光時の参照光源Rを映像観察時の回旋中心Cと虹彩Iとの間の所定範囲に位置させて作製したHOE23を用いた構成とすることにより、画面中心を注視したときには画面中心のみならず画面周辺も明るく観察することができ、これによって臨場感のある映像を観察することができる。また、眼球Eを回旋させて画面周辺を注視したときでも、注視点(画面周辺)の映像を明るく高品位な映像として観察することができる。   Therefore, in a configuration with a wide field angle of 15 ° or more, if the conditional expression (1) is satisfied, that is, the reference light source R during exposure is between the rotation center C and the iris I during image observation. With the configuration using the HOE 23 manufactured in a predetermined range, not only the screen center but also the screen periphery can be observed brightly when gazing at the screen center, thereby observing a realistic image. be able to. Further, even when the eyeball E is rotated and the periphery of the screen is watched, the image of the gazing point (the periphery of the screen) can be observed as a bright and high-quality image.

なお、画面中心を注視したときに画面周辺も明るく観察できることは、図6において、太い破線で示す露光方向(最大回折効率の光線の方向)と波長λyの光線M2(M3)の方向との角度差が小さいことからも容易に理解できる。また、画面周辺を注視したときに注視点の映像を明るく観察できることは、図6において、太い破線または太い実線で示した最大回折効率の光線が、眼球が回旋したときの虹彩IU・IDでケラレずに瞳(瞳孔)に入射していることからも容易に理解できる。なお、同図におけるN1、N2、N3は、画面中心を注視したときに観察者の瞳に入射する光束をそれぞれ示している。 Note that, when the center of the screen is observed, the periphery of the screen can be observed brightly. In FIG. 6, the exposure direction (the direction of the light beam having the maximum diffraction efficiency) indicated by the thick broken line and the direction of the light beam M 2 (M 3 ) having the wavelength λy It can be easily understood from the small angle difference. Further, the fact that the image of the gazing point can be observed brightly when gazing at the periphery of the screen is that the rays I U and I D when the light beam having the maximum diffraction efficiency shown by the thick broken line or the thick solid line in FIG. It can be easily understood from the fact that it is incident on the pupil (pupil) without vignetting. Note that N 1 , N 2 , and N 3 in the figure respectively indicate light beams that enter the observer's pupil when the center of the screen is watched.

また、条件式(1)が成立するためには、少なくとも、λy≠λ0となる必要がある。このことからも、露光時の参照光源Rの位置は、映像観察時の虹彩Iの位置(光学瞳Pの位置)とはずれている(一致していない)ことがわかる。したがって、条件式(1)を満足することにより、画面中心を注視したときに画面周辺を明るく観察できる上記の効果を、露光時の参照光源Rの位置が映像観察時の虹彩Iの位置(光学瞳Pの位置)とはずれて作製したHOE23を用いる構成で、かつ、広画角の構成で得ることができると言える。よって、そのような構成において、画面中心を注視したときに画面周辺が暗くなることによる画面全体の映像品位の低下を回避することができる。 Further, in order to condition (1) is satisfied, at least, the need for a λy ≠ λ 0. This also shows that the position of the reference light source R at the time of exposure is shifted (not coincident) with the position of the iris I (the position of the optical pupil P) at the time of image observation. Therefore, by satisfying conditional expression (1), the above-mentioned effect that the periphery of the screen can be observed brightly when the center of the screen is watched is obtained, and the position of the reference light source R at the time of exposure is the position of the iris I (optical) It can be said that it can be obtained with a configuration using the HOE 23 manufactured off the position of the pupil P) and with a wide angle of view. Therefore, in such a configuration, it is possible to avoid a reduction in the video quality of the entire screen due to darkening of the periphery of the screen when the center of the screen is watched.

また、広画角の構成で光学瞳Pを大きく形成することなく上述の効果を得ることができるので、接眼光学系14の大型化を回避することができ、特に、HMDのように映像表示装置を頭部に装着して使用する構成において、使用者への負担が増大するのを回避することができる。   In addition, since the above-described effects can be obtained without forming the optical pupil P with a wide angle of view, it is possible to avoid an increase in the size of the eyepiece optical system 14, and in particular, an image display device such as an HMD. It is possible to avoid an increase in the burden on the user in the configuration in which the head is mounted on the head.

ところで、表示素子13からの映像光が、少なくとも1つの強度ピーク波長λpeak(nm)を有している場合、上記強度ピーク波長λpeakを含む、強度ピークの半値波長全幅をFWHM(nm)としたとき、少なくとも1つの強度ピーク波長λpeakに対応した波長領域の全てにおいて、
|λpeak−λ0|/FWHM<0.4 ・・・(2)
を満足することが望ましい。
When the image light from the display element 13 has at least one intensity peak wavelength λpeak (nm), the full width at half maximum of the intensity peak including the intensity peak wavelength λpeak is FWHM (nm). In all of the wavelength regions corresponding to at least one intensity peak wavelength λpeak,
| Λpeak−λ 0 | / FWHM <0.4 (2)
It is desirable to satisfy

条件式(2)は、少なくとも1つの波長領域(例えばRGBの波長領域)の全てにおいて、映像光の強度ピーク波長λpeakと画面中心主光線の回折効率最大波長λ0とのズレ量の適切な範囲を規定している。全ての波長領域において、条件式(2)を満足することにより、λpeakとλ0とのズレ量が小さくなるので、映像光を効率よくHOE23にて回折させることができ、画面中心を注視したときに明るい映像を観察することが可能となる。また、上述のように光源11で表示素子13を照明して映像を表示する構成であれば、λpeakは光源11の強度ピーク波長(λ1R、λ1G、λ1B)に対応し、強度ピーク波長とλ0とのズレ量が小さくなるので、照明光を効率的に利用した省電力の映像表示装置1a・1bを実現することができる。 Conditional expression (2), in all of the at least one wavelength region (e.g., RGB wavelength range), the appropriate range of the deviation of the diffraction efficiency wavelength maximum lambda 0 of the intensity peak wavelength λpeak and the screen central principal ray of the image light Is stipulated. In all wavelength ranges, by satisfying the conditional expression (2), since the deviation between λpeak and lambda 0 is small, it is possible to diffract image light by efficiently HOE23, when watching the screen center It is possible to observe bright images. If the light source 11 illuminates the display element 13 to display an image as described above, λpeak corresponds to the intensity peak wavelength (λ1 R , λ1 G , λ1 B ) of the light source 11, and the intensity peak wavelength. And λ 0 are small, so that it is possible to realize power-saving video display devices 1a and 1b that efficiently use illumination light.

このとき、500nm<λ0<600nmの波長領域においては、
|λpeak−λ0|/FWHM<0.2 ・・・(2’)
を満足することがさらに望ましい。条件式(2’)を満足することにより、Gの波長領域でλpeakとλ0とのズレ量が非常に小さいので、被視感度の高いGの波長領域でより効果的に上述の効果を得ることができる。つまり、観察者は画面中心を注視したときに映像をより明るく認識することができる。
At this time, in the wavelength region of 500 nm <λ 0 <600 nm,
| Λpeak−λ 0 | / FWHM <0.2 (2 ′)
It is further desirable to satisfy By satisfying conditional expression (2 '), the amount of deviation between λpeak and lambda 0 in the wavelength region of G is very small, to obtain a more effective the above effect in the wavelength region of high the luminosity G be able to. In other words, the observer can recognize the image brighter when the user focuses on the center of the screen.

また、映像表示装置1bのように、観察画角が20°以上の構成においては、表示素子13の表示面における半画角10°に対応する位置から射出された所定波長領域の光線のうち光学瞳Pの中心を通る光線における回折効率最大の波長をλ10(nm)としたとき、少なくとも1つの強度ピーク波長λpeakに対応した波長領域の全てにおいて、
|λ10−λ0|/FWHM<0.9 ・・・(3)
を満足することが望ましい。
In addition, in the configuration in which the observation angle of view is 20 ° or more as in the video display device 1b, the optical component of the light in the predetermined wavelength region emitted from the position corresponding to the half angle of view 10 ° on the display surface of the display element 13 is used. When the maximum wavelength of the diffraction efficiency in the light beam passing through the center of the pupil P is λ 10 (nm), in all the wavelength regions corresponding to at least one intensity peak wavelength λ peak,
| Λ 10 −λ 0 | / FWHM <0.9 (3)
It is desirable to satisfy

条件式(3)は、少なくとも1つの波長領域(例えばRGBの波長領域)の全てにおいて、半画角10°に対応する光線の回折効率最大波長λ10と、画面中心主光線の回折効率最大波長λ0とのズレ量の適切な範囲を規定している。なお、半画角10°は、画面中心を注視したときに、注視点(画面中心)を中心として観察者が映像を解像できる画角の限界に相当する。条件式(3)を満足することにより、λ10とλ0とのズレ量が小さいので、画面中心を注視したときに観察者が解像可能な画面領域の明るさを確保することができ、映像の解像がしやすくなる。 Conditional expression (3) indicates that in all at least one wavelength region (for example, RGB wavelength region), the diffraction efficiency maximum wavelength λ 10 corresponding to the half angle of view of 10 ° and the diffraction efficiency maximum wavelength of the screen center principal ray An appropriate range of deviation from λ 0 is specified. Note that the half angle of view of 10 ° corresponds to the limit of the angle of view at which the observer can resolve the image around the point of sight (center of the screen) when the center of the screen is watched. By satisfying conditional expression (3), the amount of deviation between λ 10 and λ 0 is small, so that the brightness of the screen area that can be resolved by the observer when the screen center is watched can be secured, Easier to resolve video.

このとき、500nm<λ0<600nmの波長領域においては、
|λ10−λ0|/FWHM<0.4 ・・・(3’)
を満足することがさらに望ましい。条件式(3’)を満足することにより、Gの波長領域でλ10とλ0とのズレ量が非常に小さいので、被視感度の高いGの波長領域でより効果的に上述の効果を得ることができる。つまり、画面中心を注視したときに観察者が解像可能な画面領域の明るさを良好に確保することができ、映像の解像がさらにしやすくなる。
At this time, in the wavelength region of 500 nm <λ 0 <600 nm,
| Λ 10 −λ 0 | / FWHM <0.4 (3 ′)
It is further desirable to satisfy By satisfying conditional expression (3 ′), the amount of deviation between λ 10 and λ 0 is very small in the G wavelength region, so that the above effect can be more effectively achieved in the G wavelength region with high visibility. Obtainable. In other words, the brightness of the screen area that can be resolved by the observer when the screen center is watched can be ensured, and the resolution of the video is further facilitated.

〔実施例〕
以下、映像表示装置1a・1bの各実施例について、実施例1および2として、コンストラクションデータ等を挙げてさらに具体的に説明する。実施例1および2は、映像表示装置1a・1bにそれぞれ対応する数値実施例であり、映像表示装置1a・1bを表す光学構成図(図1、図4)は、対応する実施例1および2にもそのまま適用される。
〔Example〕
Hereinafter, examples of the video display devices 1a and 1b will be described in more detail with reference to construction data and the like as Examples 1 and 2. Examples 1 and 2 are numerical examples corresponding to the video display devices 1a and 1b, respectively. Optical configuration diagrams (FIGS. 1 and 4) representing the video display devices 1a and 1b are the corresponding examples 1 and 2. The same applies to.

なお、以下に示すコンストラクションデータにおいて、Si(i=1、2、3、・・・)は、光学瞳P側から数えてi番目の面(光学瞳Pを1番目の面とする)を示している。また、表示素子13のカバーガラス(CG)において、接眼光学系14側の面をCG面とし、光源11側の面を像面(表示面)としている。   In the construction data shown below, Si (i = 1, 2, 3,...) Indicates the i-th surface (the optical pupil P is the first surface) counted from the optical pupil P side. ing. Further, in the cover glass (CG) of the display element 13, the surface on the eyepiece optical system 14 side is a CG surface, and the surface on the light source 11 side is an image surface (display surface).

各面Siの配置は、面頂点座標(x,y,z)と回転角度(ADE)の各面データでそれぞれ特定される。面Siの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点として、グローバルな直交座標系(x,y,z)におけるローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点の座標(x,y,z)で表されている(単位はmm)。また、面Siの傾きは、その面頂点を中心とするX軸回りの回転角度(X回転)で表されている。なお、回転角度の単位は°であり、X軸の正方向から見て反時計回りの方向がX回転の回転角度の正方向とする。   The arrangement of each surface Si is specified by each surface data of surface vertex coordinates (x, y, z) and rotation angle (ADE). The surface vertex coordinates of the surface Si are the local orthogonal coordinate system (X, Y, z) in the global orthogonal coordinate system (x, y, z) with the surface vertex as the origin of the local orthogonal coordinate system (X, Y, Z). , Z) is represented by the coordinates (x, y, z) of the origin (unit: mm). Further, the inclination of the surface Si is represented by a rotation angle around the X axis (X rotation) with the surface vertex as the center. The unit of the rotation angle is °, and the counterclockwise direction when viewed from the positive direction of the X axis is the positive direction of the rotation angle of the X rotation.

また、グローバルな直交座標系(x,y,z)は、光学瞳面(S1)のローカルな直交座標系(X,Y,Z)と一致した絶対座標系になっている。すなわち、各面Siの配置データは、光学瞳面中心を原点としたグローバル座標系で表現される。なお、光学瞳面(S1)では、光学瞳Pから接眼光学系14に向かう方向が+Z方向であり、光学瞳Pに対して上方向が+Y方向であり、YZ平面に垂直な方向であって、図1(図4)の紙面奥から手前に向かう方向(HMDを装着したときに左から右に向かう方向)が+X方向である。   The global orthogonal coordinate system (x, y, z) is an absolute coordinate system that matches the local orthogonal coordinate system (X, Y, Z) of the optical pupil plane (S1). In other words, the arrangement data of each surface Si is expressed in a global coordinate system with the center of the optical pupil plane as the origin. In the optical pupil plane (S1), the direction from the optical pupil P toward the eyepiece optical system 14 is the + Z direction, the upward direction with respect to the optical pupil P is the + Y direction, and the direction is perpendicular to the YZ plane. 1 (FIG. 4), the direction from the back to the front (the direction from left to right when the HMD is attached) is the + X direction.

また、各実施例1・2で用いたHOE23を作製する際の製造波長(HWL;規格化波長)および使用波長はともに532nmであり、回折光の使用次数は1次である。HOE面については、作製に用いる2光束を定義することにより、HOEを一義的に定義する。2光束の定義は、各光束の光源位置と、各光源からの射出ビームが収束ビーム(VIA)、発散ビーム(REA)のどちらであるかで行う。なお、第1の点光源(HV1)、第2の点光源(HV2)の座標を、それぞれ(HX1,HY1,HZ1)、(HX2,HY2,HZ2)とする。   In addition, the manufacturing wavelength (HWL; standardized wavelength) and the working wavelength when producing the HOE 23 used in each of Examples 1 and 2 are both 532 nm, and the use order of the diffracted light is the first order. For the HOE surface, the HOE is uniquely defined by defining the two light beams used for fabrication. The definition of the two light beams is performed by determining whether the light source position of each light beam is the convergent beam (VIA) or the divergent beam (REA). The coordinates of the first point light source (HV1) and the second point light source (HV2) are (HX1, HY1, HZ1) and (HX2, HY2, HZ2), respectively.

また、各実施例1・2では、HOEによる複雑な波面再生を行うので、2光束の定義に加えて、位相関数φによってもHOEを定義する。位相関数φは、以下の数1式に示すように、HOEの位置(X,Y)による生成多項式であり、係数が1次〜10次までの昇順の単項式で表される。コンストラクションデータにおいては、位相関数φの係数Cjを示している。   In each of the first and second embodiments, complicated wavefront reproduction by HOE is performed. Therefore, in addition to the definition of the two light beams, the HOE is also defined by the phase function φ. The phase function φ is a generator polynomial based on the position (X, Y) of the HOE, as shown in the following formula 1, and the coefficient is expressed by a monomial in ascending order from the first order to the tenth order. In the construction data, the coefficient Cj of the phase function φ is shown.

Figure 2010169916
Figure 2010169916

なお、係数Cjの番号jは、m、nをX、Yの指数として以下の数2式で表される。   Note that the number j of the coefficient Cj is expressed by the following equation 2 where m and n are indices of X and Y.

Figure 2010169916
Figure 2010169916

なお、HOE面において、射出光線の法線ベクトルをそれぞれp’、q’、r’とし、入射光線の法線ベクトルをそれぞれp、q、rとし、再生光束の波長をλ(nm)とし、HOEを作製する光束の波長をλ0(nm)とすると、p’、q’、r’は、以下の数3式で表される。 In the HOE plane, the normal vectors of the emitted light are respectively p ′, q ′, and r ′, the normal vectors of the incident light are respectively p, q, and r, and the wavelength of the reproduced light beam is λ (nm), Assuming that the wavelength of the light beam for producing the HOE is λ 0 (nm), p ′, q ′, and r ′ are expressed by the following equation (3).

Figure 2010169916
Figure 2010169916

このように、各実施例1・2では、波長532nmの光を射出する光源を使用してホログラム感光材料を露光し、波長532nmに対応するHOEの位相関数φを作成している。上記波長に対応する位相関数φを作成した後に、他の波長の光を射出する光源を使用してホログラム感光材料を多重露光することにより、接眼光学系14をカラー表示に対応させることができる。また、RGBに対応するホログラムを同時に、多重露光することも可能である。   As described above, in each of Examples 1 and 2, the hologram photosensitive material is exposed using a light source that emits light having a wavelength of 532 nm, and the phase function φ of the HOE corresponding to the wavelength of 532 nm is created. After the phase function φ corresponding to the wavelength is created, the eyepiece optical system 14 can be adapted to color display by multiple exposure of the hologram photosensitive material using a light source that emits light of other wavelengths. It is also possible to simultaneously perform multiple exposure of holograms corresponding to RGB.

また、コンストラクションデータにおいて、回転対称非球面の面形状は、次の数4式によって表現される。ただし、Zは高さhの位置でのZ軸方向(光軸方向)のサグ量(mm)を示し、cは面頂点での曲率(1/mm)を示し、hは高さ、すなわちZ軸(光軸)からの距離(mm)を示し、kはコーニック定数を示し、A、B、C、D、E、F、Gは、それぞれ4次、6次、8次、10次、12次、14次、16次の係数(非球面係数)を示す。なお、全てのデータに関して、表記の無い項の係数は全て0であり、E−n=×10-nとする。 In the construction data, the surface shape of the rotationally symmetric aspheric surface is expressed by the following equation (4). Here, Z indicates the sag amount (mm) in the Z-axis direction (optical axis direction) at the position of height h, c indicates the curvature (1 / mm) at the surface apex, and h is the height, that is, Z A distance (mm) from the axis (optical axis) is indicated, k is a conic constant, and A, B, C, D, E, F, and G are 4th order, 6th order, 8th order, 10th order, 12th, respectively. Next, 14th and 16th order coefficients (aspherical coefficients) are shown. It should be noted that for all data, the coefficients of the terms not described are all 0, and E−n = × 10 −n .

Figure 2010169916
Figure 2010169916

さらに、アナモフィック非球面の面形状は、以下の数5式によって表される。ただし、ZはZ軸方向のサグ量(mm)を示し、CUXはX方向の曲率(1/mm)、すなわちX方向の曲率半径RXの逆数を示し、CUYはY方向の曲率(1/mm)、すなわちY方向の曲率半径RYの逆数を示す。また、KXおよびKYは、それぞれX方向およびY方向のコーニック定数を示す。さらに、AR、BR、CR、DRは、それぞれ4次、6次、8次、10次の非球面係数の回転対称成分を示し、AP、BP、CP、DPは、それぞれ4次、6次、8次、10次の非球面係数の非回転対称成分を示す。   Further, the surface shape of the anamorphic aspheric surface is expressed by the following equation (5). Here, Z represents the sag amount (mm) in the Z-axis direction, CUX represents the curvature in the X direction (1 / mm), that is, the reciprocal of the curvature radius RX in the X direction, and CUY represents the curvature in the Y direction (1 / mm ), That is, the reciprocal of the radius of curvature RY in the Y direction. KX and KY denote conic constants in the X direction and the Y direction, respectively. Furthermore, AR, BR, CR, and DR indicate rotationally symmetric components of the fourth-order, sixth-order, eighth-order, and tenth-order aspheric coefficients, respectively. AP, BP, CP, and DP are fourth-order, sixth-order, The non-rotationally symmetric components of the 8th and 10th order aspheric coefficients are shown.

Figure 2010169916
Figure 2010169916

また、実施例2において、フレネルレンズ(第1のフレネルレンズ52、第2のフレネルレンズ54)の各ゾーンの最大サグ量は、0.1mmとした。   In Example 2, the maximum sag amount of each zone of the Fresnel lens (the first Fresnel lens 52 and the second Fresnel lens 54) was set to 0.1 mm.

(実施例1)
面番号 曲率半径
S1 瞳面 INFINITY
S2 プリズム射出面 INFINITY
S3 HOE面(球面) -298.9958
2光束の定義
HV1;REA HV2;VIR
HX1; 0.000000E+00 HY1;-5.881204E+00 HZ1;-1.668113E+01
HX2; 0.000000E+00 HY2; 2.485100E+08 HZ2;-6.062901E+09
HWL;532
位相係数
C2 ; 2.8590E-01 C3 ; 1.2283E-02 C5 ; 1.3066E-02
C7 ; -2.9177E-04 C9 ; -2.2883E-04 C10; -2.7068E-05
C12; -4.4477E-05 C14; -3.8149E-05 C16; 6.7067E-08
C18; -6.8171E-06 C20; -9.4960E-06 C21; 2.8217E-07
C23; -1.4597E-07 C25; 1.2215E-06 C27; 2.7292E-06
C29; -3.8156E-08 C31; 7.2240E-08 C33; 2.1242E-07
C35; 2.5148E-07 C36; -5.6472E-09 C38; 5.5861E-09
C40; 2.4856E-09 C42; -5.0000E-08 C44; -9.0279E-08
C46; 0.0000E+00 C48; 0.0000E+00 C50; 0.0000E+00
C52; 0.0000E+00 C54; 0.0000E+00 C55; 0.0000E+00
C57; 0.0000E+00 C59; 0.0000E+00 C61; 0.0000E+00
C63; 0.0000E+00 C65; 0.0000E+00
S4 反射面 INFINITY
S5 反射面 INFINITY
S6 反射面 INFINITY
S7 プリズム入射面 -127.8262934
(非球面)
k; 0 A; 1.30052E-04 B; -5.79585E-06
C; 1.17700E-07 D; -7.88409E-10
S8 CG面 INFINITY
S9 表示面 INFINITY
Example 1
Surface number Curvature radius S1 Pupil surface INFINITY
S2 Prism exit surface INFINITY
S3 HOE surface (spherical surface) -298.9958
Definition of two luminous fluxes
HV1; REA HV2; VIR
HX1; 0.000000E + 00 HY1; -5.881204E + 00 HZ1; -1.668113E + 01
HX2; 0.000000E + 00 HY2; 2.485100E + 08 HZ2; -6.062901E + 09
HWL; 532
Phase coefficient
C2; 2.8590E-01 C3; 1.2283E-02 C5; 1.3066E-02
C7; -2.9177E-04 C9; -2.2883E-04 C10; -2.7068E-05
C12; -4.4477E-05 C14; -3.8149E-05 C16; 6.7067E-08
C18; -6.8171E-06 C20; -9.4960E-06 C21; 2.8217E-07
C23; -1.4597E-07 C25; 1.2215E-06 C27; 2.7292E-06
C29; -3.8156E-08 C31; 7.2240E-08 C33; 2.1242E-07
C35; 2.5148E-07 C36; -5.6472E-09 C38; 5.5861E-09
C40; 2.4856E-09 C42; -5.0000E-08 C44; -9.0279E-08
C46; 0.0000E + 00 C48; 0.0000E + 00 C50; 0.0000E + 00
C52; 0.0000E + 00 C54; 0.0000E + 00 C55; 0.0000E + 00
C57; 0.0000E + 00 C59; 0.0000E + 00 C61; 0.0000E + 00
C63; 0.0000E + 00 C65; 0.0000E + 00
S4 Reflective surface INFINITY
S5 Reflective surface INFINITY
S6 Reflective surface INFINITY
S7 Prism entrance surface -127.8262934
(Aspherical)
k; 0 A; 1.30052E-04 B; -5.79585E-06
C; 1.17700E-07 D; -7.88409E-10
S8 CG side INFINITY
S9 Display screen INFINITY

面番号 x y z ADE Nd νd
S1 0 0 0 0 瞳径3mm
S2 0 -2.000 17.000 0.000 1.4914 59.93
S3 0 -2.000 19.350 -31.000 1.4914 59.93
S4 0 1.500 17.000 0 1.4914 59.93
S5 0 9.000 21.700 0 1.4914 59.93
S6 0 17.000 17.000 0 1.4914 59.93
S7 0 21.916 22.000 73.275
S8 0 28.729 26.765 44.970 1.5168 65.26
S9 0 29.294 27.331 44.970
Surface number xyz ADE Nd νd
S1 0 0 0 0 Pupil diameter 3mm
S2 0 -2.000 17.000 0.000 1.4914 59.93
S3 0 -2.000 19.350 -31.000 1.4914 59.93
S4 0 1.500 17.000 0 1.4914 59.93
S5 0 9.000 21.700 0 1.4914 59.93
S6 0 17.000 17.000 0 1.4914 59.93
S7 0 21.916 22.000 73.275
S8 0 28.729 26.765 44.970 1.5168 65.26
S9 0 29.294 27.331 44.970

(実施例2)
面番号 曲率半径
S1 瞳面 INFINITY
S2 プリズム射出面 INFINITY
S3 HOE面 RX;-120
(シリンドリカル面)
2光束の定義
HV1;REA HV2;VIR
HX1; 0.000000E+00 HY1;-1.000000E+01 HZ1;-2.000000E+01
HX2; 0.000000E+00 HY2; 1.000000E+05 HZ2; 1.000000E+07
HWL;532
位相係数
C2 ; 3.1811E-01 C3 ; -3.3433E-03 C5 ; 1.0001E-01
C7 ; -3.3369E-03 C9 ; 4.5312E-03 C10; 1.1062E-04
C12; -1.9324E-04 C14; 9.3845E-05 C16; 1.9016E-05
C18; -3.9148E-06 C20; -4.6293E-07 C21; 6.3647E-07
C23; 9.2264E-07 C25; 1.2446E-08 C27; -7.1215E-08
C29; 2.9856E-08 C31; 1.8793E-08 C33; 1.3940E-09
C35; -1.4538E-09 C36; -1.0259E-10 C38; 3.9337E-10
C40; 2.1328E-10 C42; -1.6236E-11 C44; -1.0251E-11
C46; 1.1740E-10 C48; -1.9255E-11 C50; 3.9689E-12
C52; -1.2523E-12 C54; 1.0166E-14 C55; 4.1204E-12
C57; 2.1960E-12 C59; -4.6175E-13 C61; 5.6801E-14
C63; -1.4087E-14 C65; 2.6281E-16
S4 反射面 INFINITY
S5 反射面 INFINITY
S6 プリズム入射面 292.0530513
(非球面)
k; 0 A; -1.55846E-04 B; 3.10103E-06
C; -3.32367E-08 D; 1.22114E-10 E; 0.00000E+00
F; 0.00000E+00 G; 0.00000E+00
S7 CG面 INFINITY
S8 表示面 INFINITY
(Example 2)
Surface number Curvature radius S1 Pupil surface INFINITY
S2 Prism exit surface INFINITY
S3 HOE surface RX; -120
(Cylindrical surface)
Definition of two luminous fluxes
HV1; REA HV2; VIR
HX1; 0.000000E + 00 HY1; -1.000000E + 01 HZ1; -2.000000E + 01
HX2; 0.000000E + 00 HY2; 1.000000E + 05 HZ2; 1.000000E + 07
HWL; 532
Phase coefficient
C2; 3.1811E-01 C3; -3.3433E-03 C5; 1.0001E-01
C7; -3.3369E-03 C9; 4.5312E-03 C10; 1.1062E-04
C12; -1.9324E-04 C14; 9.3845E-05 C16; 1.9016E-05
C18; -3.9148E-06 C20; -4.6293E-07 C21; 6.3647E-07
C23; 9.2264E-07 C25; 1.2446E-08 C27; -7.1215E-08
C29; 2.9856E-08 C31; 1.8793E-08 C33; 1.3940E-09
C35; -1.4538E-09 C36; -1.0259E-10 C38; 3.9337E-10
C40; 2.1328E-10 C42; -1.6236E-11 C44; -1.0251E-11
C46; 1.1740E-10 C48; -1.9255E-11 C50; 3.9689E-12
C52; -1.2523E-12 C54; 1.0166E-14 C55; 4.1204E-12
C57; 2.1960E-12 C59; -4.6175E-13 C61; 5.6801E-14
C63; -1.4087E-14 C65; 2.6281E-16
S4 Reflective surface INFINITY
S5 Reflective surface INFINITY
S6 Prism entrance surface 292.0530513
(Aspherical)
k; 0 A; -1.55846E-04 B; 3.10103E-06
C; -3.32367E-08 D; 1.22114E-10 E; 0.00000E + 00
F; 0.00000E + 00 G; 0.00000E + 00
S7 CG side INFINITY
S8 Display screen INFINITY

面番号 x y z ADE Nd νd
S1 0 0 0 0 瞳径3mm
S2 0 0 21.5 0 1.4914 59.93
S3 0 18.0125 41.5525 -29.7994 1.4914 59.93
S4 0 1.5 21.5 0 1.4914 59.93
S5 0 6.5 31 0 1.4914 59.93
S6 0 15.1485 25.1107 -51.5372
S7 0 22.4032 25.601 -35.7442 1.5168 65.26
S8 0 22.8705 24.9517 -35.7442
Surface number xyz ADE Nd νd
S1 0 0 0 0 Pupil diameter 3mm
S2 0 0 21.5 0 1.4914 59.93
S3 0 18.0125 41.5525 -29.7994 1.4914 59.93
S4 0 1.5 21.5 0 1.4914 59.93
S5 0 6.5 31 0 1.4914 59.93
S6 0 15.1485 25.1107 -51.5372
S7 0 22.4032 25.601 -35.7442 1.5168 65.26
S8 0 22.8705 24.9517 -35.7442

また、上述した条件式(1)〜(3)の値は、以下の表1〜表3の通りである。これらの表より、実施例1・2の映像表示装置1a・1bは、条件式(1)〜(3)を全て満足していることがわかる。また、表2および表3より、Gの波長領域においては、条件式(2’)(3’)をさらに満足していることがわかる。   The values of the conditional expressions (1) to (3) described above are as shown in Tables 1 to 3 below. From these tables, it can be seen that the video display devices 1a and 1b of Examples 1 and 2 satisfy all the conditional expressions (1) to (3). From Tables 2 and 3, it can be seen that the conditional expressions (2 ') and (3') are further satisfied in the G wavelength region.

Figure 2010169916
Figure 2010169916

Figure 2010169916
Figure 2010169916

Figure 2010169916
Figure 2010169916

〔λy・λ10の算出方法について〕
上述した条件式(1)のλyおよび条件式(3)のλ10は、ブラッグの回折条件に基づいて算出することができる。以下、この点について説明する。
[Method for calculating the λy · λ 10]
The above-described conditional expression (1) λy and conditional expression (3) λ 10 can be calculated based on Bragg diffraction conditions. Hereinafter, this point will be described.

図7(a)は、ホログラム感光材料23aの露光時の製造光学系の主光線の光路を示す説明図であり、図7(b)は、再生時(使用状態)の主光線の光路を示す説明図である。なお、製造光学系の主光線とは、同図(b)に示す使用状態の主光線がHOE23と交わる点と、参照光の点光源、物体光の点光源とをそれぞれ結ぶ光線とする。一方、使用状態の主光線とは、使用状態において表示素子13(図1参照)の表示面の中心から射出されて光学瞳Pの中心に向かう光線とする。   FIG. 7A is an explanatory view showing the optical path of the principal ray of the production optical system at the time of exposure of the hologram photosensitive material 23a, and FIG. 7B shows the optical path of the principal ray at the time of reproduction (use state). It is explanatory drawing. The principal ray of the manufacturing optical system is a ray connecting the point where the principal ray in the use state shown in FIG. 4B intersects with the HOE 23, the point light source of the reference light, and the point light source of the object light. On the other hand, the principal ray in the use state is a light ray that is emitted from the center of the display surface of the display element 13 (see FIG. 1) and goes toward the center of the optical pupil P in the use state.

製造光学系の主光線、つまり、RGBの参照光の主光線の入射角は、使用状態において、回折効率がピークとなる波長におけるHOE23での回折角度(方向)がRGBで一致するように、予めブラッグの条件を満たすように異なっている。反射型のHOE23による回折は、ブラッグの条件、すなわち、下記の2つの式が同時に成立する方向に回折する光の回折強度が最大となる。
(sinθO−sinθR)/λR = (sinθI−sinθC)/λC
(cosθO−cosθR)/λR = (cosθI−cosθC)/λC
ここで、
λR(nm):製造波長(露光波長)
θO(°):物体光入射角(物体光角度)
θR(°):参照光入射角(参照光角度)
λC(nm):使用波長(回折波長)
θI(°):映像主光線入射角度(映像光角度)
θC(°):映像主光線射出角度(視線角度)
である。なお、θO、θR、θI、θCは、全てプリズム媒質中での角度である。
The incident angle of the principal ray of the manufacturing optical system, that is, the principal ray of the RGB reference light is preliminarily set so that the diffraction angle (direction) at the HOE 23 at the wavelength at which the diffraction efficiency reaches a peak in the use state matches with RGB. Different to meet Bragg's requirements. Diffraction by the reflection type HOE 23 has a maximum diffraction intensity of light diffracted in the Bragg condition, that is, in a direction in which the following two expressions are simultaneously satisfied.
(Sin θ O −sin θ R ) / λ R = (sin θ I −sin θ C ) / λ C
(Cos θ O −cos θ R ) / λ R = (cos θ I −cos θ C ) / λ C
here,
λ R (nm): Manufacturing wavelength (exposure wavelength)
θ O (°): Object light incident angle (object light angle)
θ R (°): Reference beam incident angle (reference beam angle)
λ C (nm): wavelength used (diffraction wavelength)
θ I (°): Image chief ray incident angle (image light angle)
θ C (°): Image chief ray emission angle (line-of-sight angle)
It is. Note that θ O , θ R , θ I , and θ C are all angles in the prism medium.

表4〜表6は、視線角度θCを30°±Δθに設定したときに、ブラッグの条件を満足する回折波長λCのシミュレーション結果であり、それぞれ、半画角が実施例1の7.5°、実施例2の16.5°、および10°のときの算出結果である。なお、Δθは、観察画角の半画角に対応している。すなわち、Δθ=1.2°は半画角7.5°に対応しており、Δθ=4.8°は半画角16.5°に対応しており、Δθ=2.96°は半画角10°に対応している。 Tables 4 to 6 show the simulation results of the diffraction wavelength λ C that satisfies the Bragg condition when the line-of-sight angle θ C is set to 30 ° ± Δθ. It is a calculation result at 5 °, 16.5 ° in Example 2, and 10 °. Note that Δθ corresponds to the half field angle of the observation field angle. That is, Δθ = 1.2 ° corresponds to a half field angle of 7.5 °, Δθ = 4.8 ° corresponds to a half field angle of 16.5 °, and Δθ = 2.96 ° corresponds to a half field angle. It corresponds to an angle of view of 10 °.

Figure 2010169916
Figure 2010169916

Figure 2010169916
Figure 2010169916

Figure 2010169916
Figure 2010169916

表4〜表6では、HOE製造時のホログラム感光材料の収縮を考慮していないが、実際は、そのような収縮を考慮して設計し、露光を行う必要がある。実施例1・2では、ホログラム感光材料の収縮(2%)を考慮し、さらに、実施例2では、画面中心主光線の回折効率ピーク波長を光源の強度ピーク波長に一致させて設計している。この結果、BGRの露光波長をそれぞれ476.5nm、532.0nm、647.0nmとしたとき、表1〜表3に示すように、BGRのλ0は、実施例1では、それぞれ467.0nm、521.4nm、634.1nmとなっており、実施例2では、それぞれ457.0nm、516.0nm、636.0nmとなっている。 Although Table 4 to Table 6 do not consider the shrinkage of the hologram photosensitive material at the time of manufacturing the HOE, in actuality, it is necessary to design and perform exposure in consideration of such shrinkage. In the first and second embodiments, the shrinkage (2%) of the hologram photosensitive material is taken into consideration, and in the second embodiment, the diffraction efficiency peak wavelength of the screen center chief ray is matched with the intensity peak wavelength of the light source. . As a result, when the exposure wavelength of BGR was 476.5 nm, 532.0 nm, and 647.0 nm, respectively, as shown in Tables 1 to 3, λ 0 of BGR was 467.0 nm in Example 1, respectively. 521.4 nm and 634.1 nm, and in Example 2, they are 457.0 nm, 516.0 nm, and 636.0 nm, respectively.

一方、λy/λ0の値は、回折ピーク波長が露光波長からシフトしても、観察画角(半画角)に応じた一定の値をとる。例えば、ホログラム感光材料の収縮を考慮していない表4(実施例1)のBにおいて、視線角度30°のときの回折波長をλ0(476.5nm)とすると、Δθ=1.2°(視線角度28.8°)が半画角7.5°に対応するので、視線角度28.8°のときの回折波長(482.2nm)がλyとなり、λy/λ0の値は1.012となる。したがって、ホログラム感光材料の収縮を考慮したときのλyは、467.0×1.012=472.6nmとなる。他の色(GやR)および実施例2のλyについても上記と同様に求めることが可能である。 On the other hand, the value of [lambda] y / lambda 0 is the diffraction peak wavelength is shifted from the exposure wavelength, it takes a constant value according to the observation angle (half angle). For example, in B of Table 4 (Example 1) in which the shrinkage of the hologram photosensitive material is not taken into account, if the diffraction wavelength at a viewing angle of 30 ° is λ 0 (476.5 nm), Δθ = 1.2 ° ( (Line-of-sight angle 28.8 °) corresponds to half angle of view 7.5 °, the diffraction wavelength (482.2 nm) when the line-of-sight angle is 28.8 ° is λy, and the value of λy / λ 0 is 1.012. It becomes. Therefore, λy when considering the shrinkage of the hologram photosensitive material is 467.0 × 1.012 = 472.6 nm. Other colors (G and R) and λy of Example 2 can be obtained in the same manner as described above.

また、λ10についても同様に、ホログラム感光材料の収縮を考慮していない表6に基づいて求めることが可能である。すなわち、表6(実施例2)の例えばBにおいて、視線角度30°のときの回折波長をλ0(476.5nm)とすると、Δθ=2.96°(視線角度27.04°)が半画角10°に対応するので、視線角度27.04°のときの回折波長(490.1nm)がλ10となり、λ10/λ0の値は1.0285となる。したがって、ホログラム感光材料の収縮を考慮したときのλyは、457.0×1.0285=470.0nmとなる。他の色(GやR)についても上記と同様に求めることが可能である。 Similarly, λ 10 can be obtained based on Table 6 that does not consider the shrinkage of the hologram photosensitive material. That is, for example, in Table 6 (Example 2) B, if the diffraction wavelength at a line-of-sight angle of 30 ° is λ 0 (476.5 nm), Δθ = 2.96 ° (line-of-sight angle 27.04 °) is half. Since it corresponds to an angle of view of 10 °, the diffraction wavelength (490.1 nm) when the viewing angle is 27.04 ° is λ 10 , and the value of λ 10 / λ 0 is 1.0285. Therefore, λy when considering the shrinkage of the hologram photosensitive material is 457.0 × 1.0285 = 470.0 nm. Other colors (G and R) can be obtained in the same manner as described above.

〔θとLの関係について〕
ところで、観察画角の半画角をθ(°)とし、参照光源Rの光学瞳P(虹彩I)からの距離(ずれ量)をL(mm)としたとき、上述した各種の条件式のパラメータは、以下の関係式を満足する範囲内において、ブラッグの回折条件に基づいて算出される。
7.5≦θ<12.8のとき、2.5<L≦11
θ≧12.8のとき、 2.5<L<2.5/tanθ
[Relationship between θ and L]
By the way, when the half field angle of the observation field angle is θ (°) and the distance (shift amount) from the optical pupil P (iris I) of the reference light source R is L (mm), the above-mentioned various conditional expressions are satisfied. The parameters are calculated based on Bragg diffraction conditions within a range that satisfies the following relational expression.
When 7.5 ≦ θ <12.8, 2.5 <L ≦ 11
When θ ≧ 12.8, 2.5 <L <2.5 / tan θ

ここで、7.5≦θ<12.8のときのLの上限値(11mm)は、人間の眼球の回旋中心Cと虹彩Iとの平均的な距離に相当する。一方、θ≧12.8のときのLの上限値(2.5/tanθ)は、画面中心を注視したときに注視点の周辺光束が虹彩I(瞳孔)に入射するための条件に基づいて設定したものである。さらに、Lの下限値(2.5mm)は、眼球の回旋を伴う半画角10°以上においても注視点周辺を明るく観察可能となる条件に基づいて設定したものである。以下、Lの上限値(2.5/tanθ)および下限値(2.5mm)の設定方法について説明する。   Here, the upper limit value (11 mm) of L when 7.5 ≦ θ <12.8 corresponds to the average distance between the rotation center C of the human eyeball and the iris I. On the other hand, the upper limit value of L (2.5 / tan θ) when θ ≧ 12.8 is based on the condition for the peripheral luminous flux of the gazing point to enter the iris I (pupil) when the center of the screen is watched. It is set. Further, the lower limit value of L (2.5 mm) is set based on the condition that the periphery of the gazing point can be brightly observed even at a half angle of view of 10 ° or more accompanied by eyeball rotation. A method for setting the upper limit value (2.5 / tan θ) and the lower limit value (2.5 mm) of L will be described below.

(Lの上限値について)
図8(a)は、参照光源Rが回旋中心Cに位置するときの、虹彩断面(光学瞳断面)での虹彩Iと映像光束(回折効率を考慮したときの光学瞳)A1〜A3との位置関係を示す説明図である。同図(a)より、画面中心を注視したときに、θ>12.8°の映像光束A3は、虹彩断面において虹彩Iとの重なりがないため、瞳(瞳孔)には入射せず、その映像を観察できないことがわかる。ちなみに、映像光束A1およびA2は、画面中心を注視したときに、それぞれ、θ=12.8°、θ=−12.8°となり、虹彩断面での虹彩Iとの重なり量Δ(mm)がともにΔ≒0となる光束である。したがって、参照光源Rが回旋中心Cに位置する場合、|θ|≦12.8°の範囲内の映像を観察できることになる。
(About the upper limit of L)
FIG. 8A shows an iris I and an image light beam (an optical pupil in consideration of diffraction efficiency) A 1 to A 3 in the iris section (optical pupil section) when the reference light source R is located at the rotation center C. It is explanatory drawing which shows the positional relationship with these. From FIG. 5A, when the center of the screen is observed, the image light flux A 3 with θ> 12.8 ° does not overlap with the iris I in the iris cross section, and therefore does not enter the pupil (pupil). It turns out that the image cannot be observed. Incidentally, the image light fluxes A 1 and A 2 are θ = 12.8 ° and θ = −12.8 °, respectively, when gazing at the center of the screen, and the overlapping amount Δ (mm with the iris I in the iris cross section. ) Are light fluxes where Δ≈0. Therefore, when the reference light source R is located at the rotation center C, an image within the range of | θ | ≦ 12.8 ° can be observed.

これに対して、図8(b)は、参照光源Rが虹彩I(光学瞳P)と回旋中心Cとの間で虹彩Iから距離Lだけ離れて位置するときの、虹彩断面での虹彩Iと映像光束との位置関係を示す説明図である。参照光源Rが虹彩Iから距離Lだけ離れて位置するときは、映像光束A3についての回折効率が最大となる方向が同図(a)の状態から光学瞳P方向に平行にシフトすることになる。この場合、虹彩断面での映像光束A3と虹彩Iとの重なりは、回折効率が最大となる方向が映像光束A3と等しい映像光束A1と虹彩Iとの重なりとして考えることができる(映像光束A3の断面を回折効率最大の方向に沿って虹彩断面までシフトさせて考えることができる)。したがって、画面中心を注視したときに、映像光束A3の一部が虹彩Iと重なるため、画面周辺の映像(光束A3が表す映像)を観察できることになる。 On the other hand, FIG. 8B shows the iris I in the iris cross section when the reference light source R is located at a distance L from the iris I between the iris I (optical pupil P) and the rotation center C. It is explanatory drawing which shows the positional relationship of an image light beam. When the reference light source R is located at a distance L from the iris I, the direction in which the diffraction efficiency for the image light beam A 3 is maximized is shifted from the state shown in FIG. Become. In this case, the overlap of the image light beam A 3 and the iris I in the iris cross section can be considered as the overlap of the image light beam A 1 and the iris I whose direction of maximum diffraction efficiency is equal to the image light beam A 3 (image). It can be considered that the cross section of the light beam A 3 is shifted to the iris cross section along the direction of maximum diffraction efficiency). Accordingly, when the center of the screen is watched, a part of the image light flux A 3 overlaps with the iris I, so that an image around the screen (image represented by the light flux A 3 ) can be observed.

ここで、人間の虹彩Iの径は、平均的に3mm程度と言われている。虹彩Iとの重なり方向における映像光束A1〜A3の径(光学瞳Pの径)を例えば2mmとすれば、同図(b)より、Lは以下の演算で求めることができる。
L={(虹彩Iの径の半分)+(映像光束の径の半分)}/tanθ
=(1+1.5)/tanθ
=2.5/tanθ
Here, the diameter of the human iris I is said to be about 3 mm on average. If the diameter of the image light fluxes A 1 to A 3 (the diameter of the optical pupil P) in the overlapping direction with the iris I is 2 mm, for example, L can be obtained by the following calculation from FIG.
L = {(half the diameter of the iris I) + (half the diameter of the image light beam)} / tan θ
= (1 + 1.5) / tan θ
= 2.5 / tan θ

したがって、θ>12.8°の映像光束A3の一部が瞳孔に入射する、つまり、Δ>0となるためには、L<2.5/tanθであればよいということになる。よって、θ>12.8°の場合、Lの上限値は、2.5/tanθとなる。 Therefore, in order for a part of the image light flux A 3 with θ> 12.8 ° to enter the pupil, that is, Δ> 0, L <2.5 / tan θ is sufficient. Therefore, when θ> 12.8 °, the upper limit value of L is 2.5 / tan θ.

(Lの下限値について)
図9(a)は、参照光源Rの位置が光学瞳Pと一致している場合において、観察者の眼球が10°回旋したときの、10°の画角の映像光束B1(回折効率を考慮したときの光学瞳)と虹彩Iとの虹彩断面(光学瞳断面)での位置関係を示す説明図である。一方、図9(b)は、参照光源Rが虹彩I(光学瞳P)と回旋中心Cとの間で虹彩Iから距離Lだけ離れて位置するときの、虹彩断面での映像光束B1と虹彩Iとの位置関係を示す説明図である。
(About the lower limit of L)
FIG. 9A shows an image light beam B 1 (diffraction efficiency of 10 ° field angle) when the eyeball of the observer rotates 10 ° when the position of the reference light source R coincides with the optical pupil P. It is explanatory drawing which shows the positional relationship in the iris cross section (optical pupil cross section) of the optical pupil) and the iris I when it considers. On the other hand, FIG. 9B shows the image light flux B 1 at the iris cross section when the reference light source R is located at a distance L from the iris I between the iris I (optical pupil P) and the rotation center C. It is explanatory drawing which shows the positional relationship with the iris I.

同図(a)の状態において、眼球が10°回旋したとき、10°の画角の映像光束B1と虹彩Iとの虹彩断面での重なり量Δが、例えば0.4mmであったとする。同図(b)のように参照光源Rの位置を光学瞳Pから距離Lだけずらした場合、映像光束B1における回折効率が最大となる方向(図中の破線の方向)も回旋中心Cの方向に平行にシフトするので、虹彩断面においては、10°の画角の映像光束B1と虹彩Iとの重なりは、同図(a)の場合よりも増加することになる(映像光束B1の断面を回折効率最大の方向に沿って虹彩断面までシフトさせて考えればよい)。 In the state of FIG. 5A, when the eyeball is rotated by 10 °, the overlap amount Δ in the iris cross section between the image light beam B 1 having an angle of view of 10 ° and the iris I is, for example, 0.4 mm. When the position of the reference light source R is shifted from the optical pupil P by a distance L as shown in FIG. 5B, the direction in which the diffraction efficiency in the image light beam B 1 is maximized (the direction of the broken line in the figure) is also the rotation center C. since shifting parallel to the direction, in the iris section, the overlap of the image beam B 1 and the iris I of the angle of view of 10 °, would increase than in FIG. (a) (image beam B 1 Can be considered by shifting the cross-section to the iris cross-section along the direction of maximum diffraction efficiency).

ここで、例えば、L=2.5mmであれば、10°の画角の映像光束B1と虹彩Iとの虹彩断面での重なり量Δが1.0mmとなり、注視点の周辺を明るく観察することができる。したがって、半画角10°以上では、Lの下限値を2.5mmに設定しておけば、眼球の回旋を伴っても注視点周辺を明るく観察することができると言える。 Here, for example, if L = 2.5 mm, the overlapping amount Δ of the image light beam B 1 having an angle of view of 10 ° and the iris I in the iris cross section is 1.0 mm, and the periphery of the gazing point is observed brightly. be able to. Therefore, at a half angle of view of 10 ° or more, if the lower limit value of L is set to 2.5 mm, it can be said that the periphery of the gazing point can be brightly observed even when the eyeball is rotated.

また、眼球の回旋は、観察画角が15°以上、つまり、半画角で7.5°以上で生ずるが、Lの下限値を2.5mmに設定しておけば、眼球が回旋したときの画角方向の映像光束と虹彩Iとの重なり量Δを1.0mm以上確保することができ、注視点周辺をさらに明るく観察することができる。以上のことから、θ≧7.5°の場合のLの下限値を、2.5mmに設定している。   Eye rotation occurs when the observation angle of view is 15 ° or more, that is, when the half angle of view is 7.5 ° or more. If the lower limit of L is set to 2.5 mm, the eyeball rotates. The amount of overlap Δ between the image light flux in the field angle direction and the iris I can be secured to 1.0 mm or more, and the periphery of the gazing point can be observed more brightly. From the above, the lower limit value of L when θ ≧ 7.5 ° is set to 2.5 mm.

なお、上記したLは、θにのみ依存して決まるものではなく、虹彩断面における映像光束と虹彩Iとの重なり量Δをどの程度確保するかによって上記した範囲内で変動するものである。   Note that L described above is not determined depending only on θ, but varies within the above range depending on how much overlap Δ between the image light flux and the iris I in the iris cross section is secured.

〔HMDについて〕
上述した構成の映像表示装置1a・1bは、HMDに適用することができる。以下、HMDについて説明する。
[About HMD]
The video display devices 1a and 1b having the above-described configuration can be applied to the HMD. Hereinafter, the HMD will be described.

図10は、HMDの概略の構成を示す斜視図である。HMDは、映像表示装置1と、支持手段2とで構成されている。映像表示装置1は、上述した映像表示装置1a・1bに対応するものである。   FIG. 10 is a perspective view showing a schematic configuration of the HMD. The HMD includes a video display device 1 and support means 2. The video display device 1 corresponds to the video display devices 1a and 1b described above.

映像表示装置1は、少なくとも光源11および表示素子13(ともに図1参照)を内包する筐体3を有している。この筐体3は、接眼光学系14の一部を保持している。接眼光学系14は、接眼プリズム21および偏向プリズム22の貼り合わせによって構成されており、全体として眼鏡の一方のレンズ(図10では右眼用レンズ)のような形状をしている。また、映像表示装置1は、筐体3を貫通して設けられるケーブル4を介して、光源11および表示素子13に少なくとも駆動電力および映像信号を供給するための回路基板(図示せず)を有している。   The video display device 1 has a housing 3 that includes at least a light source 11 and a display element 13 (both refer to FIG. 1). The housing 3 holds a part of the eyepiece optical system 14. The eyepiece optical system 14 is configured by bonding an eyepiece prism 21 and a deflection prism 22 and has a shape like one lens of a pair of glasses (lens for right eye in FIG. 10) as a whole. In addition, the video display device 1 has a circuit board (not shown) for supplying at least driving power and a video signal to the light source 11 and the display element 13 via a cable 4 provided through the housing 3. is doing.

支持手段2は、眼鏡のフレーム(ブリッジ、テンプルを含む)に相当するものであり、映像表示装置1を観察者の眼前(例えば右眼の前)で支持している。また、支持手段2は、観察者の鼻と当接する鼻当て5(右鼻当て5R・左鼻当て5L)と、その鼻当て5を所定の位置で固定する鼻当てロックユニット6とを含んでいる。   The support means 2 corresponds to a frame of a spectacle (including a bridge and a temple), and supports the video display device 1 in front of the observer's eyes (for example, in front of the right eye). Further, the support means 2 includes a nose pad 5 (right nose pad 5R / left nose pad 5L) that contacts the observer's nose, and a nose pad lock unit 6 that fixes the nose pad 5 at a predetermined position. Yes.

観察者がHMDを頭部に装着し、表示素子13に映像を表示すると、その映像光が接眼光学系14を介して光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置に観察者の瞳(虹彩)を合わせることにより、観察者は、映像表示装置1の表示映像の拡大虚像を観察することができる。また、これと同時に、観察者は、接眼光学系14を介して、外界像をシースルーで観察することができる。   When the observer wears the HMD on the head and displays an image on the display element 13, the image light is guided to the optical pupil via the eyepiece optical system 14. Accordingly, by aligning the observer's pupil (iris) with the position of the optical pupil, the observer can observe an enlarged virtual image of the display image of the image display device 1. At the same time, the observer can observe the outside world image through the eyepiece optical system 14 in a see-through manner.

このように、映像表示装置1が支持手段2にて支持されることにより、観察者は映像表示装置1から提供される映像をハンズフリーで長時間安定して観察することができる。なお、映像表示装置1を2つ用いて両眼で映像を観察できるようにしてもよい。この場合は、両方の接眼光学系の間の距離(眼幅距離)を調整するための調整機構(図示せず)を設けることが必要である。   As described above, the video display device 1 is supported by the support unit 2, so that the observer can observe the video provided from the video display device 1 in a hands-free and stable manner for a long time. In addition, you may enable it to observe an image | video with both eyes using two image display apparatuses 1. FIG. In this case, it is necessary to provide an adjustment mechanism (not shown) for adjusting the distance (eye width distance) between both eyepiece optical systems.

また、上記した鼻当て5を自由自在に動かすことにより、観察者に対して映像表示装置1の位置を相対的に前後、左右、上下の各方向に調整することができ、これによって、接眼光学系14の光学瞳の位置を、観察者の虹彩の位置に配置することができる。位置調整後は、鼻当てロックユニット6によって鼻当て5の位置を固定することにより、観察者の瞳を良好な位置に固定することができる。したがって、鼻当て5および鼻当てロックユニット6は、少なくとも、映像表示装置1の接眼光学系14(光学瞳)と観察者の瞳との距離を調整する調整機構(第1の調整機構)を構成していると言える。   Further, by freely moving the above-described nose pad 5, the position of the image display device 1 can be adjusted relative to the observer in the front and rear, left and right, and up and down directions. The position of the optical pupil of the system 14 can be placed at the position of the observer's iris. After the position adjustment, the position of the nose pad 5 is fixed by the nose pad lock unit 6, so that the observer's pupil can be fixed at a good position. Therefore, the nose pad 5 and the nose pad lock unit 6 constitute at least an adjustment mechanism (first adjustment mechanism) that adjusts the distance between the eyepiece optical system 14 (optical pupil) of the video display device 1 and the pupil of the observer. I can say that.

このように、第1の調整機構によって接眼光学系14と観察者の瞳との距離を調整することにより、光学瞳の位置に観察者の瞳を位置させたときには、必然的に、露光時の参照光源の位置が、映像観察時の回旋中心と虹彩との間の所定範囲に位置することになる。すなわち、上記の調整によって、上述した本発明の効果が得られるようなHOEの配置を実現することができる。   In this way, by adjusting the distance between the eyepiece optical system 14 and the observer's pupil by the first adjustment mechanism, when the observer's pupil is positioned at the position of the optical pupil, it is inevitably necessary at the time of exposure. The position of the reference light source is located in a predetermined range between the rotation center and the iris at the time of video observation. That is, by the above adjustment, it is possible to realize an HOE arrangement that can achieve the above-described effects of the present invention.

なお、上記した第1の調整機構が、映像表示装置1の上下、左右方向の位置を調整するための第2の調整機構と独立して構成されていてもよい。この場合は、各々の位置調整がさらに容易となる。   Note that the first adjustment mechanism described above may be configured independently of the second adjustment mechanism for adjusting the vertical and horizontal positions of the video display device 1. In this case, each position adjustment becomes easier.

また、図11は、映像表示装置1の表示素子13の表示画面例を示している。同図に示すように、表示素子13は、第1の調整機構による距離調整時に、光学瞳の位置調整用の指標61を表示するようにしてもよい。指標61は、画面中央に1つ、その周囲に4つ、さらにその外側の画面上下端に1つずつの計7つのマークにより構成されている。ただし、画面上下端のマークを除く他のマークは円形であり、画面上下端のマークは半円状となっている。なお、指標61を構成するマークの形状、数、位置は、上記に限定されるわけではない。   FIG. 11 shows a display screen example of the display element 13 of the video display device 1. As shown in the figure, the display element 13 may display an index 61 for adjusting the position of the optical pupil during distance adjustment by the first adjustment mechanism. The index 61 is composed of a total of seven marks, one at the center of the screen, four at the periphery thereof, and one at the upper and lower ends of the screen outside. However, the marks other than the mark at the upper and lower ends of the screen are circular, and the mark at the upper and lower ends of the screen is semicircular. Note that the shape, number, and position of the marks constituting the index 61 are not limited to the above.

接眼光学系14と観察者の瞳との距離調整時に、表示素子13が位置調整用の指標61を表示することにより、観察者は指標61を見ながら、第1の調整機構を操作して光学瞳の位置と観察者の瞳位置とを合わせることができる。また、通常は映像を表示する表示素子13を、指標61を表示する位置調整用としても用いるので、位置調整用の指標を投影する専用の光学系を別途設ける必要がなく、小型、軽量となり、HMDに有効となる。   When the distance between the eyepiece optical system 14 and the observer's pupil is adjusted, the display element 13 displays the index 61 for position adjustment, so that the observer operates the first adjustment mechanism while viewing the index 61 to perform the optical operation. The pupil position and the observer's pupil position can be matched. In addition, since the display element 13 that normally displays an image is also used for position adjustment for displaying the index 61, it is not necessary to separately provide a dedicated optical system for projecting the index for position adjustment, and the size and weight are reduced. Effective for HMD.

なお、以上では、映像表示装置をHMDに適用した例について説明したが、本発明の映像表示装置は、例えばヘッドアップディスプレイ(HUD)などの他の装置にも適用することが可能である。   In addition, although the example which applied the video display apparatus to HMD was demonstrated above, the video display apparatus of this invention is applicable also to other apparatuses, such as a head up display (HUD), for example.

本発明の映像表示装置は、例えばHMDやHUDに利用可能である。   The video display device of the present invention can be used for, for example, an HMD and a HUD.

1 映像表示装置
1a 映像表示装置
1b 映像表示装置
2 支持手段
5 鼻当て(調整機構)
5R 鼻当て(調整機構)
5L 鼻当て(調整機構)
6 鼻当てロックユニット(調整機構)
11 光源
13 表示素子
14 接眼光学系
23 HOE(ホログラム光学素子)
61 指標
C 回旋中心
E 眼球
I 虹彩
1 光線
2 光線
3 光線
P 光学瞳
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Video display apparatus 1a Video display apparatus 1b Video display apparatus 2 Support means 5 Nose pad (adjustment mechanism)
5R nose pad (adjustment mechanism)
5L nose pad (adjustment mechanism)
6 Nose pad lock unit (adjustment mechanism)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Light source 13 Display element 14 Eyepiece optical system 23 HOE (hologram optical element)
61 Index C Rotation center E Eyeball I Iris M 1 ray M 2 ray M 3 ray P Optical pupil

Claims (9)

映像を表示する表示素子と、
上記表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系とを備え、
上記接眼光学系が、上記表示素子からの映像光を光学瞳方向に回折反射させる一方、外界光を透過させて光学瞳に導く体積位相型で反射型のホログラム光学素子を有し、
光学瞳の位置に観察者の瞳を位置させることにより、上記映像と同時に外界を観察させる、上記映像の観察画角が15°以上の映像表示装置であって、
上記表示素子の表示面の中心から射出された所定波長領域の光線のうち光学瞳中心を通る光線における回折効率最大の波長をλ0とし、上記表示素子の表示面の周辺部から射出された上記所定波長領域の光線のうち光学瞳中心を通る光線における回折効率最大の波長をλyとし、観察画角の半画角をθとしたとき、
0.08<|((λy/λ0)−1)/sinθ|<0.2
を満足することを特徴とする映像表示装置。
A display element for displaying an image;
An eyepiece optical system for guiding the image light from the display element to an optical pupil,
The eyepiece optical system has a volume phase type reflection hologram optical element that diffracts and reflects the image light from the display element in the direction of the optical pupil, and transmits external light to the optical pupil,
An image display device having an observation angle of view of 15 ° or more for observing the outside world simultaneously with the image by positioning an observer's pupil at the position of the optical pupil,
The wavelength of the maximum diffraction efficiency in a light ray passing through the center of the optical pupil among light rays in a predetermined wavelength region emitted from the center of the display surface of the display element is λ 0, and the light emitted from the peripheral portion of the display surface of the display element When the diffraction efficiency maximum wavelength in the light beam passing through the optical pupil center among the light beams in the predetermined wavelength region is λy, and the half field angle of the observation field angle is θ,
0.08 <| ((λy / λ 0 ) −1) / sin θ | <0.2
An image display device characterized by satisfying
上記表示素子からの映像光は、少なくとも1つの強度ピーク波長λpeakを有しており、
上記強度ピーク波長λpeakを含む、強度ピークの半値波長全幅をFWHMとしたとき、少なくとも1つの強度ピーク波長λpeakに対応した波長領域の全てにおいて、
|λpeak−λ0|/FWHM<0.4
を満足することを特徴とする請求項1に記載の映像表示装置。
The image light from the display element has at least one intensity peak wavelength λpeak,
When the full width at half maximum of the intensity peak including the intensity peak wavelength λpeak is FWHM, in all the wavelength regions corresponding to at least one intensity peak wavelength λpeak,
| Λpeak−λ 0 | / FWHM <0.4
The video display device according to claim 1, wherein:
500nm<λ0<600nmの波長領域において、
|λpeak−λ0|/FWHM<0.2
を満足することを特徴とする請求項2に記載の映像表示装置。
In the wavelength region of 500 nm <λ 0 <600 nm,
| Λpeak−λ 0 | / FWHM <0.2
The video display device according to claim 2, wherein:
観察画角が20°以上であり、
上記表示素子の表示面における半画角10°に対応する位置から射出された所定波長領域の光線のうち光学瞳中心を通る光線における回折効率最大の波長をλ10としたとき、少なくとも1つの強度ピーク波長λpeakに対応した波長領域の全てにおいて、
|λ10−λ0|/FWHM<0.9
を満足することを特徴とする請求項2または3に記載の映像表示装置。
The observation angle of view is 20 ° or more,
At least one intensity when the wavelength of maximum diffraction efficiency in a light beam passing through the center of the optical pupil among light beams in a predetermined wavelength region emitted from a position corresponding to a half field angle of 10 ° on the display surface of the display element is λ 10. In all of the wavelength region corresponding to the peak wavelength λpeak,
| Λ 10 −λ 0 | / FWHM <0.9
The video display device according to claim 2, wherein:
500nm<λ0<600nmの波長領域において、
|λ10−λ0|/FWHM<0.4
を満足することを特徴とする請求項4に記載の映像表示装置。
In the wavelength region of 500 nm <λ 0 <600 nm,
| Λ 10 −λ 0 | / FWHM <0.4
The video display device according to claim 4, wherein:
上記表示素子を照明する光源をさらに備え、
上記光源は、上記光学瞳と略共役に配置されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の映像表示装置。
A light source for illuminating the display element;
6. The video display device according to claim 1, wherein the light source is disposed substantially conjugate with the optical pupil.
請求項1から6のいずれかに記載の映像表示装置と、
上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
The video display device according to any one of claims 1 to 6,
A head-mounted display comprising support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes.
上記支持手段は、上記映像表示装置の接眼光学系と観察者の瞳との距離を調整する調整機構を備えていることを特徴とする請求項7に記載のヘッドマウントディスプレイ。   8. The head mounted display according to claim 7, wherein the support means includes an adjustment mechanism for adjusting a distance between the eyepiece optical system of the video display device and the pupil of the observer. 上記映像表示装置の表示素子は、上記調整機構による距離調整時に、光学瞳の位置調整用の指標を表示することを特徴とする請求項8に記載のヘッドマウントディスプレイ。   9. The head mounted display according to claim 8, wherein the display element of the video display device displays an index for adjusting the position of the optical pupil when the distance is adjusted by the adjusting mechanism.
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