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Timestamp: 2020-01-22 05:35:09
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JP2002287078A - Image combiner and image display device using the same - Google Patents
Image combiner and image display device using the same
JP2002287078A
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PROBLEM TO BE SOLVED: To widen the angle of view of a display image and to increase the diameter of an exit pupil for the display image while making a plate type part thin. SOLUTION: When this device is used, the plate type part 3 which is made of an optical material and corresponds to a spectacle lens made is positioned in front of the eye of the user. An image combiner 11 superposes the light from an image display element on the light transmitted through the plate type part 15 to pass through the plate type part 15 along the thickness from before the plate type part 15 and guides it to the eye 16. The light from the image display element 12 impinges obliquely on a surface 15b of the plate type part 15 from the surface 15b on the opposite side from the eye 16, and is refracted by the surface 15b to enter the plate type part 15 and then transmitted through a transmission type HOE 17. At this time, the light has its optical path deflected and is imaged by the transmission type HOE 17. Then the light is guided out of the plate type part 15 from the surface 15a on the side of the eye 16.
【発明の属する技術分野】本発明は、使用者が外界などの前方からの光による像とこれに重畳された表示画像を見ることができるイメージコンバイナ、及びこれを用いた頭部装着式等の画像表示装置に関するものである。 The present invention relates to can see a display image the user is superimposed to the image by the light from the front, such as the outside world image combiner, and a head-mounted such that using the same and an image display device.
【従来の技術】従来から、使用者が外界の様子を観察しながらこれに重畳された表示画像を見ることができる、 BACKGROUND ART Conventionally, it is possible to view the display image the user is superimposed thereto while observing the outside world situation,
いわゆるシースルー型の頭部装着式画像表示装置（ヘッド・マウンテッド・ディスプレイ）として、例えば、笠井らの"Actually wearable see-though display using As a so-called see-through type head-mounted image display apparatus (head mounted display), for example, Kasai et al. "Actually wearable see-though display using
HOE"と題する論文（2nd International Conference onO HOE "article entitled (2nd International Conference onO
ptical Design and Fabrication（ODF200,Tokyo）論文予稿集、pp.117-120、２０００年１１月１５日発行）に開示された画像表示装置が知られている。 ptical Design and Fabrication (ODF200, Tokyo) paper Proceedings, pp.117-120, is disclosed image display device has been known to issue November 15, 2000).
【０００３】この種の画像表示装置の一例について、図１３を参照して説明する。 [0003] An example of this type of image display apparatus will be described with reference to FIG. 13. 図１３は、この画像表示装置の構成及びその光線（画像表示素子２からの光線のみ） 13, the configuration and the ray of the image display apparatus (light from the image display device 2 only)
の経路を示す図である。 Is a diagram showing the path of the. ここでは、図１に示す座標系と同じ対応関係を持つように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。 Here, to have the same relationship as the coordinate system shown in FIG. 1, X-axis orthogonal to each other, to define a Y-axis and Z-axis.
【０００４】この画像表示装置は、イメージコンバイナ１と、ＬＣＤ等の画像表示素子２とを備えている。 [0004] The image display apparatus includes an image combiner 1, and an image display device 2 such as LCD. イメージコンバイナ１は、ガラスやプラスティック等の光学材料で平行平板状に構成された板状部３を備えている。 Image combiner 1 is provided with a plate-like portion 3 configured in a parallel plate shape by an optical material such as glass or plastic.
板状部３は、眼鏡レンズと同様に、使用者の頭部に装着されて、使用者の眼の前に位置する。 The plate-like portion 3 is, like the spectacle lens, is worn on the head of a user, positioned in front of the eye of the user. 図１３において、 13,
Ｐは、イメージコンバイナ１の、画像表示素子２からの光に対する射出瞳を示す。 P shows the image combiner 1, the exit pupil with respect to light from the image display device 2. この射出瞳Ｐが使用者の眼の瞳とほぼ一致するように、イメージコンバイナ１が使用者に装着される。 The exit pupil P is such that substantially coincides with the pupil of the eye of the user, the image combiner 1 is worn by the user. 図１３では、Ｚ軸方向が板状部３の厚み方向と一致している。 In Figure 13, Z-axis direction coincides with the thickness direction of the plate-like portion 3. 板状部３の眼の側の面３ａ及び眼と反対側の面３ｂは、ＸＹ平面と平行となっている。 Surface 3b of the surface 3a and the eye side of the eye of the plate portion 3 opposite are parallel to the XY plane.
なお、板状部３は、図１３中の下方にも延びているが、 Incidentally, the plate-like portion 3, although also extends downward in FIG. 13,
その図示は省略している。 The illustration is omitted.
【０００５】イメージコンバイナ１は、板状部３の前方から板状部３の厚みｄを通過するように（すなわち、面３ｂから入射して面３ａから射出するように）板状部３ [0005] the image combiner 1, so as to pass through the thickness d of the plate-like portion 3 from the front of the plate portion 3 (i.e., so as to emit from the surface 3a is incident from the surface 3b) plate-shaped portion 3
を透過する光（以下、「外界光」という。）に対して、 Against transmits light (hereinafter referred to as "external light".),
画像表示素子２からの光を重畳させて、使用者の眼に導くように構成されている。 It superimposes the light from the image display device 2, and is configured to direct the eye of the user. すなわち、この画像表示装置では、板状部３における使用者の眼と対向する位置付近において、板状部３の内部に、反射型ホログラム光学素子（反射型ＨＯＥ）４が設けられている。 That is, in this image display apparatus, in the vicinity of a position facing the eye of the user in the plate-shaped portion 3, inside of the plate portion 3, the reflection type holographic optical element (reflective type HOE) 4 is provided. 画像表示素子２からの光の波長は、この反射型ＨＯＥ４の回折効率ピークの波長と略一致しており、画像表示素子２からの光を反射する。 The wavelength of the light from the image display device 2 is wavelength substantially coincides diffraction efficiency peak of the reflection type HOE 4, reflects light from the image display device 2. 一方、反射型ＨＯＥ４は透明であり、外界光（図示せず）を透過させる。 On the other hand, the reflection type HOE4 is transparent, to transmit external light (not shown).
【０００６】図１３において、点Ａ１，Ａ２は、画像表示素子２の表示部の図中紙面内での両端の位置をそれぞれ示す。 [0006] In FIG. 13, the points A1, A2 indicates the position of both ends of in the figure of the display portion of the image display device 2 in the plane, respectively. 画像表示素子２は、使用者が外界を観察するのを妨げないとともに、使用者が当該画像表示装置を装着するときに邪魔にならない位置に配置されている。 The image display device 2, as well as does not prevent the user to observe the outside world, are arranged in unobtrusive position when the user wears the image display device. 板状部３の図１３中の斜め上方に配置された画像表示素子２ Image disposed obliquely upward in FIG. 13 of the plate-like portion 3 display elements 2
からの光は、板状部３の上部の曲面の領域Ｒ１から板状部３内に入射して、面３ａの領域Ｒ２に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ２の内側で全反射される。 Light from the incident from the region R1 of the top of the curved surface of the plate-like portion 3 to the plate-like portion 3, incident at greater than the critical angle of incidence angles in the region of the surface 3a R2, total reflection inside the region R2 It is. この光は、面３ｂの領域Ｒ３に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ３の内側で全反射される。 This light is incident at greater than the critical angle of incidence angles in the region R3 of the surface 3b, it is totally reflected inside the region R3. さらに、この光は、面３ａの領域Ｒ４に臨界角より大きい入射角で入射し、領域Ｒ４の内側で全反射される。 Furthermore, the light is incident at greater than the critical angle of incidence angles in the region R4 of the surface 3a, is totally reflected inside the region R4. その後、この光は、反射型ＨＯＥ４で反射された後に、面３ａで屈折され、イメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの位置の使用者の眼の瞳に入射する。 Thereafter, this light, after being reflected by the reflective HOE 4, is refracted by the surface 3a, and enters the eyes of the eye of the user of the position of the exit pupil P of the image combiner 1. この時、画像表示素子２の同一点から発した光は、互いに平行または、使用者から見える表示画像の距離が、予め定める一定の値（明視距離など） At this time, the light emitted from the same point of the image display device 2 is mutually parallel or distance display image viewed from the user (such as visibility distance) constant value predetermined
になるように所定の開き角を持った状態となる。 A state having a predetermined opening angle to be. 一方、 on the other hand,
外界光は、面３ｂ、反射型ＨＯＥ４及び面３ｂを透過して、使用者の眼の瞳に入射する。 External light is transmitted through the surface 3b, reflective HOE4 and faces 3b, incident on the pupil of the eye of the user. したがって、使用者は、外界の像と表示画像とが重畳された像を視認することができる。 Therefore, the user can visually recognize the image and displaying the image with the outside world image is superimposed.
【０００７】この画像表示装置では、使用者の眼に対向する位置付近において比較的薄い板状部３内に反射型Ｈ [0007] In this image display apparatus, the reflection type in a relatively thin plate portion 3 in the vicinity of a position facing the eye of the user H
ＯＥ４が設けられているので、使用者の眼の前に大きなブロック状のビームスプリッタを配置する画像表示装置（例えば、特開平６−２５８５９４号公報等）に比べて、著しく軽量化及びコンパクト化され、通常の眼鏡の使用感に近い使用感が得られるなどの利点が得られる。 Since OE4 is provided, as compared with the image display device to place a large block-like beam splitter in front of the eyes of a user (e.g., JP-A-6-258594 Publication), significantly lighter and more compact , advantages such as feeling close to feel normal eyeglasses can be obtained is obtained.
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明者の研究の結果、図１３に示すような画像表示装置では、使用者の眼に対向する位置付近において板状部３内に反射型ＨＯＥ４が設けられていることに起因して、後述するような種々の制約が生じ、ひいては、板状部３をより薄くしたり、表示画像の画角をより広げたり、イメージコンバイナ１の表示画像に対する射出瞳Ｐの径をより大きくしたりすることが困難であることが、判明した。 [SUMMARY OF THE INVENTION However, as a result of the present inventor's study, in the image display device shown in FIG. 13, the reflection type HOE4 in the plate-like portion 3 in the vicinity of a position facing the eye of the user due to that provided, occur various restrictions, such as described below, therefore, or thinner plate-shaped portion 3, widen more the angle of the display image, the injection with respect to the display image of the image combiner 1 it was found to be difficult to or larger diameter of the pupil P. このような従来の画像表示装置の限界は、本発明者の研究の結果、初めて明らかになったものである。 Limitation of the conventional image display device as a result of the present inventors' study, in which first became apparent.
【０００９】板状部３をより薄くすることは、一層の軽量化につながり、通常の眼鏡の使用感により近い使用感が得られることになる。 [0009] be made thinner plate-shaped portion 3 may lead to further weight reduction, feeling will be obtained which is closer to the feeling of ordinary eyeglasses. 表示画像の画角をより広げることは、使用者がより大きな表示画像を見ることができることになり、表示画像の視認性の向上等につながる。 To widen the angle of the display image will be the user can see a larger display image, leading to such improvement in the visibility of the display image. 表示画像に対する射出瞳Ｐの径が小さいと、射出瞳Ｐの位置に対して使用者の眼の瞳の位置がわずかにずれただけでも、画像表示素子４の表示部の周辺部からの光がけられて表示画像の周辺部が欠けて見えてしまう。 If the diameter of the exit pupil P to the display image is small, even only slightly displaced position of the pupil of the eye of the user with respect to the position of the exit pupil P, the optical cliff from the peripheral portion of the display unit of the image display device 4 It is to become visible lack the peripheral portion of the display image. このため、使用に際して、イメージコンバイナ１を使用者の眼に対して厳密に位置合わせする必要があり、非常に不便である。 Thus, in use, must be precisely aligned with the image combiner 1 with respect to the user's eye, it is very inconvenient. したがって、表示画像に対する射出瞳Ｐの径をより大きくすることは、イメージコンバイナ１と使用者の眼との位置ずれの許容量が増大することにつながり、 Therefore, to increase the diameter of the exit pupil P to the display image, it leads to the tolerance of the positional deviation between the eye image combiner 1 and the user increases,
位置合わせの煩わしさをより低減又は解消することができることになる。 So that it is possible to further reduce or eliminate the burden of the alignment. これらの事項は、頭部装着式の画像表示装置としての価値を高める上で極めて本質的で重要な事項である。 These matters are very essential and important issues in enhancing the value as an image display device of the head-mounted.
【００１０】ここで、図１３に示すような画像表示装置が本来的に有する種々の制約について説明する。 [0010] Here, the image display device shown in FIG. 13 will be described various restrictions with inherently.
【００１１】［第１の制約：反射型ＨＯＥ４に対する入射方向の制約］ [0011] [first constraint: the incident direction of the constraints on the reflective HOE 4]
【００１２】使用者の眼と対向する位置付近において板状部３の内部に設けられたＨＯＥ４は、反射型であるため、反射型ＨＯＥ４に対する表示画像の入射光は、必ず使用者の眼の側から反射型ＨＯＥ４に入射しなければならない。 [0012] HOE4 provided inside the plate-shaped portion 3 in the vicinity of a position facing the eye of the user, because it is reflective, the incident light of the display image with respect to the reflective HOE4 is always the side of the user's eye shall incident on the reflective HOE4 from. そうしないと、表示画像からの光が、反射型Ｈ Otherwise, the light from the display image, a reflection type H
ＯＥ４で反射した後に、使用者の眼に到達することができなくなる。 After reflected by the OE4, it is impossible to reach the eye of the user.
【００１３】［第２の制約：内側空間のクリアランスの制約］ [0013] [second constraint: clearance of the constraints of the inner space]
【００１４】使用者の眼付近の内側空間（板状部３に対する眼の側の空間、図１３では板状部３に対する左側空間）について述べると、使用者の眼は傷を受け易いため、安全上、画像表示素子２、またはその他の突起物を眼の近くに配置することは好ましくない。 [0014] The inner space (space on the side of the eye with respect to the plate-like portion 3, left space for 13 the plate-like portion 3) in the vicinity of the user's eyes when we describe, for the user's eye is susceptible to scratches, safety Moreover, the image display device 2, or other protrusions placed near the eye is not preferable. したがって、 Therefore,
使用者の眼の視野内に反射型ＨＯＥ４を設ける場合は、 In the case of providing a reflective HOE4 in the field of view of the user's eye,
反射型ＨＯＥ４は、図１３に示すように板状部３内、あるいは板状部３の眼と反対側の面（図１３では板状部３ Reflective HOE4 is inside the plate 3, as shown in FIG. 13, or the eye opposite to the surface of the plate-like portion 3 (FIG. 13, the plate-like portion 3
の右側の面）、あるいは、外側空間（図１３中の板状部３に対する右側空間、図１３では板状部３に対する右側空間）に配置する。 Right side of), or right space with respect to the plate-like portion 3 in the outer space (13, disposed in the right space) for 13 in the plate-like portion 3. 反射型ＨＯＥ４が板状部３内又は板状部３の眼と反対側の面に配置される場合には、画像表示素子２からの光は、必ず板状部３の眼の側の面３ａで反射してから反射型ＨＯＥ４に入射する必要があると言える。 When the reflective HOE4 is disposed on a surface opposite to the eye of the plate-like portion 3 or in the plate-like portion 3, light from the image display element 2 is always surface 3a side of the eye of the plate-like portion 3 in it it can be said that it is necessary to be incident on the reflective HOE4 after reflection. このときの反射位置は、図１３中の板状部３の面３ａの領域Ｒ４に対応する。 Reflection position at this time corresponds to the region R4 of the surface 3a of the plate-like portion 3 in FIG.
【００１５】なお、図１３に示す例では、板状部３の面３ａ，３ｂで合計３回反射する例であるが、前記第１及び第２の制約から生ずる下記第３乃至第６の制約は、板状部３の面３ａ，３ｂでの反射回数が異なる場合にも同様に存在するものである。 [0015] In the example shown in FIG. 13, the surface 3a of the plate-like portion 3 is an example that reflects three times in 3b, the following third to sixth constraints arising from the first and second constraints are those that exist in the same manner even when the surface 3a of the plate-like portion 3, the number of reflections 3b different.
【００１６】［第３の制約：面３ａ，３ｂでの反射角度の制約］ [0016] [Third constraint: the surface 3a, the reflection angle constraints in 3b]
【００１７】一方、板状部３は、表示画像の光だけでなく同時に外部からの光を通過させなければならないために、領域Ｒ４での反射は全反射であることが必要となる。 Meanwhile, the plate-like portion 3, in order to be passed through a light from the same time the outside not only the light of a display image, reflection on the region R4 is required to be total reflection. そのため、領域Ｒ４での表示画像の反射光の角度はすべて臨界角度以上の値である必要がある。 Therefore, it is necessary that all angles are critical angle or more values ​​of the reflected light of the display image in the region R4. 板状部３の厚さｄをより薄くしたい場合には領域Ｒ４での反射角度を臨界角よりも更に大きくする必要がある。 If you want to thinner the thickness d of the plate-like portion 3 has to be larger than the critical angle reflection angle in the region R4.
【００１８】［第４の制約：反射領域が重ならないための制約］ [0018] [Fourth of constraints: constraints for reflection region do not overlap]
【００１９】図１３から明らかなように、領域Ｒ１と領域Ｒ３は位置的に重なって存在することができない。 [0019] As apparent from FIG. 13, the region R1 and the region R3 can not exist overlapping positionally. また、領域Ｒ２と領域Ｒ４も位置的に重なって存在することができない。 Further, it is impossible to region R2 and the region R4 also present overlap positionally. したがって、板状部３の厚さｄを薄くする場合、画像表示素子２からの光に対するイメージコンバイナ１の射出瞳Ｐの径（図１３中の紙面内の径）と画像表示素子２の表示部の大きさ（図１３中の紙面内の長さ）に応じて、画像表示素子２からの光の板状部３の面３ａ，３ｂに対する入射角度及び反射角度を充分に大きくする必要がある。 Therefore, when reducing the thickness d of the plate portion 3 (the diameter of the paper surface in FIG. 13) the exit pupil diameter of P of the image combiner 1 with respect to light from the image display device 2 and the display unit of the image display device 2 depending on the size (length in the sheet surface in FIG. 13), the surface 3a of the light of the plate-like portion 3 of the image display device 2, it is necessary to sufficiently increase the incident angle and reflection angle with respect to 3b.
【００２０】［第５の制約：観察系射出光の角度の制約］ [0020] [Fifth constraints: the angle of the constraints of the observation system emitted light]
【００２１】他方、反射型ＨＯＥ４で反射した後、使用者の瞳に入射させる画像表示素子２からの光の進行方向は、使用者の視野の中心付近に対応するものであることが望ましい。 [0021] On the other hand, after being reflected by the reflection type HOE 4, the traveling direction of the light from the image display device 2 to be incident on the pupil of the user, it is desirable that corresponds to the vicinity of the center of the field of view of the user. したがって、薄い板状部３、とりわけ、画像表示素子２の表示部の図１３中の紙面内の長さ又はそれ以下の厚さの板状部３において反射型ＨＯＥ４を用いる場合は、反射型ＨＯＥ４に対する画像表示素子２からの光線の入射角度が大きく、かつ、その入射角度は反射型ＨＯＥ４の反射面の法線に対して片側方向（図１３中の時計方向）に片寄っていて、かつ、反射型ＨＯＥ４からの反射光の進行方向は使用者の目線の正面方向（図１ Accordingly, the thin plate-shaped portion 3, among others, the case of using a reflective HOE4 in the plate-like portion 3 of the length or less of the thickness of the image display sheet surface in FIG. 13 of the display unit of the device 2, the reflection type HOE4 the incident angle of the light beam from the image display element 2 is large and, the incident angle is not offset to one side direction with respect to the normal of the reflecting surface of the reflection type HOE 4 (clockwise direction in FIG. 13) for, and reflected the traveling direction of the reflected light from the mold HOE4 front direction of the user's eyes (Fig. 1
３中の左方向）近傍を含むものである必要がある。 It should be intended to include the left) near the 3.
【００２２】［第６の制約：ＨＯＥ面の傾斜量の制約］ [0022] [Sixth constraints: HOE surface of the inclined amount of Constraints
【００２３】板状部３を薄くする場合、取り分け、反射型ＨＯＥ４の有効径（図１３中の紙面内の有効径）が板状部３の厚さｄに近い大きさ又はこれより大きい大きさを持つときには、反射型ＨＯＥ４を板状部３に内蔵すると、反射型ＨＯＥ４の面を板状部３の面３ａ，３ｂに対して大きく傾けることが不可能となる。 [0023] When thinning the plate-shaped portion 3, among others, the effective diameter (effective diameter of the paper surface in FIG. 13) is thick magnitude or greater than the size close to d of the plate-like portion 3 of the reflection type HOE4 when with, when built-in reflective HOE4 the plate-like portion 3, it is impossible to tilt large surface of the reflective HOE4 surface 3a of the plate-like portion 3 for 3b. このため、反射型ＨＯＥ４を薄い板状部３に内蔵する場合には、反射型ＨＯＥ４の面の傾斜量を大きくすることで入射角度を小さくすることはできなくなる。 Therefore, when incorporating the reflection type HOE 4 in a thin plate-shaped portion 3, it is no longer possible to reduce the incident angle by increasing the tilt amount of the surface of the reflection type HOE 4. したがって、反射型ＨＯ Thus, the reflection type HO
Ｅ４は、入射角度が反射角度に比べて大きくなるような反射特性を持つ必要がある。 E4, it is necessary to have a reflection characteristic such that the incident angle becomes larger than the reflection angle. ＨＯＥの場合、入射角度または射出角度を大きくした配置で使う場合、そのＨＯＥ For HOE, when used in large was arranged incident angle or exit angle, the HOE
が発生する収差量が大きくなり、良好な結像性能を持つ光学系を構成することが困難となる。 There becomes large aberration amount generated, it is difficult to configure an optical system with good imaging performance.
【００２４】以上説明した第１乃至第６の制約のため、 [0024] For the first through sixth constraint described above,
図１３に示すような画像表示装置では、板状部３をより薄くしたり、表示画像の画角をより広げたり、イメージコンバイナ１の表示画像に対する射出瞳Ｐの径をより大きくしたりすることが困難であった。 In the image display device shown in FIG. 13, or thinner plate-shaped portion 3, widen more the angle of the display image, or to increase the diameter of the exit pupil P to the display image of the image combiner 1 it was difficult.
【００２５】この点について補足する。 [0025] To supplement this regard. （１）画像表示素子２は、使用者が外部を観察するのを妨げない位置に配置する必要がある。 (1) The image display device 2 needs the user to place in a position which does not prevent the observing external. （２）また、画像表示素子２は、 (2) The image display device 2,
使用者が装置を装着するときに邪魔にならない位置に配置する必要がある。 It is necessary for the user to place the unobtrusive position when mounting the device. （３）板状部３は、眼鏡と同様に、 (3) plate-shaped portion 3, similar to the eyeglasses,
使用者の顔に装着して使用される。 It is used by being mounted on the face of the user. これらの（１）〜 Of these (1) to
（３）のため、画像表示素子２から発せられた光が使用者の瞳の中心、すなわちアイポイントに導かれる経路がレンズ基板外の使用者の顔面から十分に離れている必要がある。 (3) for the light emitted from the image display device 2 is the center of the pupil of the user, i.e. it is necessary to route to be guided to the eye point is sufficiently away from the user's face out of the lens substrate. したがって、画像表示素子２からアイポイントまでの光路は板状部３内もしくは、板状部３に対して使用者と逆側の空中のみに限定される。 Accordingly, the optical path from the image display device 2 to the eye point in the plate-like portion 3 or, to be limited only to the airborne user and the opposite side of the plate-like portion 3. そのような場合に、板状部３を薄くすると、画像表示素子２から発せられた光を使用者のアイポイントに導くための光路変更素子として偏向角が９０度以上の反射型ＨＯＥ４が使われているので、使用できる光路が狭い範囲に制限されてしまうことから、十分に大きな射出瞳Ｐの径を持つ光学系や十分に大きい画角を持つ光学系を実現することができない。 In such a case, when thinning the plate-shaped portion 3, the reflection type HOE4 deflection angle as the optical path changing device is not less than 90 degrees for guiding light emitted from the image display device 2 on the eye point of the user is used since it is not because the optical path is limited to a narrow range, it is possible to realize an optical system having an optical system and a sufficiently large angle with the diameter sufficiently large exit pupil P usable. また、反射型ＨＯＥ４を用いて薄い板状部３内で光路を確保するためには反射型ＨＯＥ４に対する光線の入射角度又は反射角度が大きくならざるを得ない。 Further, inevitably large incident angle or reflection angle of light to the reflection type HOE 4 in order to ensure the optical path in the thin plate portion 3 by using a reflection type HOE 4. その場合、反射型ＨＯＥ４が発生する収差が大きくなり、他の光学要素と組み合わせて全体の収差を補正することが困難となると同時に、各部光学要素の製造誤差許容量も厳しくなる。 In this case, aberration reflective HOE4 occurs increases, at the same time it becomes difficult to correct the entire aberration in combination with other optical elements, producing error tolerances of each part optical element also becomes severe.
【００２６】反射型ＨＯＥ４の有効径に関して述べる。 [0026] described with respect to the effective diameter of the reflection type HOE4.
反射型ＨＯＥ４が使用者の眼と対向する位置付近において板状部３の内部に設けられていることから、十分に大きな射出瞳Ｐの径と視野角（表示画像の画角）を確保するためには、反射型ＨＯＥ４の有効径を大きくすべきである。 Because it is provided in the plate-shaped portion 3 in the vicinity of a position where the reflection-type HOE4 faces the eye of the user, to ensure the size and viewing angle of a sufficiently large exit pupil P (angle of the display image) in should increase the effective diameter of the reflection type HOE 4. しかし、前述したように反射型ＨＯＥ４の板状部３の面３ａ，３ｂに対する傾き量を大きくすることができないので、結局、反射型ＨＯＥ４の有効径を大きくすることができない。 However, the surface 3a of the plate-like portion 3 of the reflection type HOE 4 as described above, it is not possible to increase the tilt amount with respect 3b, after all, it is not possible to increase the effective diameter of the reflection type HOE 4. したがって、画像表示素子２に対する射出瞳Ｐの径をより大きくしたり、表示画像の画角をより広げたりすることができない。 Accordingly, or larger diameter of the exit pupil P to the image display device 2, it is impossible to widen more the angle of the displayed image.
【００２７】なお、以上説明した事情は、いわゆるシースルー型の頭部装着式画像表示装置のみならず、例えば、カメラのファインダーや顕微鏡や双眼鏡などにおいて、観察画像に表示画像を重畳させて使用者に見ることを可能にする画像表示装置などについても、同様である。 [0027] The above-described circumstances, not only the so-called see-through type head-mounted image display apparatus, for example, in a camera viewfinder and microscopes and binoculars, the user by superimposing a displayed image on the observation image for even such an image display device that makes it possible to see the same.
【００２８】本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、使用者が外界などの前方からの光による像とこれに重畳された表示画像を見ることができるイメージコンバイナにおいて、板状部の厚みが薄いにも関わらず、表示画像の画角をより広くしたり表示画像に対する射出瞳径をより大きくしたりすることができるイメージコンバイナ、及びこれを用いた頭部装着式等の画像表示装置を提供することを目的とする。 [0028] The present invention has been made in view of such circumstances, the image combiner which a user can view the displayed image superimposed image and thereto by light from the front, such as the outside world, the plate despite the thickness of the section is thin, the image combiner can or larger exit pupil diameter to more widely and view images the angle of the displayed image, and the image of the head-mounted or the like using the same and to provide a display device.
【課題を解決するための手段】本発明者は、前記従来の画像表示装置の限界の認識とその分析に基づいて更に研究した結果、従来の画像表示装置の限界を打破するには、板状部を利用したイメージコンバイナ（光学材料で構成され光学的パワーを持つかあるいは光学的パワーを持たない板状部を備え、使用時に前記板状部の少なくとも一部が使用者の眼の前に位置し、前記板状部の前方から前記板状部の厚みを通過するように前記板状部を透過する光に対して、画像表示素子からの光を重畳させて、 The present inventors Means for Solving the Problems] is a result of further research based on the recognition and Analysis of the limitations of the conventional image display apparatus, to overcome the limitations of the conventional image display device, the plate part comprising a plate-like portion image consists of combiner (optical material having no or optical power with an optical power utilizing, positioned in front of the eyes of at least a portion the user of the plate-like portion during use and, with respect to light transmitted through the plate-like portion so as to pass through the thickness of the plate portion from the front side of the plate portion, it superimposes the light from the image display element,
前記眼に導くイメージコンバイナ）において、板状部における前記眼と対向する位置付近において、前記板状部の内部及び／又は前記眼の側の面に、光路偏向作用を持つ透過型ホログラム光学素子を設けることが有効であることを見出した。 In image combiner) leading to the eye, in the vicinity of a position facing the eye of the plate-like portion, on the surface side of the inner and / or the eye of the plate portion, a transmission type holographic optical element having an optical path deflecting action it was found that it is effective to form. すなわち、本発明者は、板状部を利用したイメージコンバイナにおいて、板状部における使用者の眼と対向する位置付近に透過型ホログラム光学素子を用いると、一方側から入射した光が他方側へ射出するという透過型ホログラム光学素子の特性が、板状部を利用したイメージコンバイナの性質と巧みに結合して、板状部の厚みが薄いにも関わらず表示画像の画角をより広くしたり表示画像に対する射出瞳径をより大きくしたりすることが可能になることを見出した。 That is, the present inventors, in the image combiner using the plate-like portion, the use of transmission type holographic optical element in the vicinity of a position facing the eye of the user in the plate-like portion, whereas light entering from the side is to the other side characteristics of the transmission type holographic optical element that emits is cleverly coupled with the nature of the image combiner using the plate-like portion, or a wider field angle of the display image despite the small thickness of the plate-like portion It found that it is possible or larger exit pupil diameter to the displayed image. 本発明は、このような本発明者による研究の結果に基づいてなされたものである。 The present invention has been made based on the results of studies with such inventors.
【００３０】すなわち、前記課題を解決するため、本発明の第１の態様によるイメージコンバイナは、光学材料で構成され光学的パワーを持つかあるいは光学的パワーを持たない板状部を備え、使用時に前記板状部の少なくとも一部が使用者の眼の前に位置し、前記板状部の前方から前記板状部の厚みを通過するように前記板状部を透過する光に対して、画像表示素子からの光を重畳させて、前記眼に導くイメージコンバイナであって、前記板状部における前記眼と対向する位置付近において、前記板状部の内部に、光路偏向作用を持つ平面状又は曲面状の第１の透過型ホログラム光学素子が設けられたものである。 [0030] That is, in order to solve the above problems, an image combiner according to the first aspect of the present invention, includes a plate-like portion having no or optical power with an optical power of an optical material is formed, in use to light at least a portion of the plate portion is positioned in front of the eyes of the user, it is transmitted through the plate-like portion so as to pass through the thickness of the plate portion from the front side of the plate portion, the image superimposes the light from the display device, a image combiner leading to the eye, in the vicinity of a position facing the eye in the plate portion, the inside of the plate portion, planar or have an optical path deflecting action curved first transmission type holographic optical element in which is provided.
【００３１】この第１の態様によれば、板状部における使用者の眼と対向する位置付近において板状部の内部に光路偏向作用を持つ第１の透過型ホログラム光学素子が設けられているので、図１３に示す前記画像表示装置で生じていたような種々の制約が解消又は緩和され、板状部の厚みが薄いにも関わらず、表示画像の画角をより広くしたり表示画像に対する射出瞳径をより大きくしたりすることが可能となる。 According to this first embodiment, a first transmission type holographic optical element is provided with an optical path deflecting action in the interior of the plate-like portion in the vicinity of a position facing the eye of the user in the plate-like portion since the image display apparatus various constraints such as had occurred in shown in FIG. 13 is eliminated or relaxed, despite the small thickness of the plate-like portion, for wider and view images the angle of the display image it is possible or larger exit pupil diameter.
【００３２】なお、板状部は、例えば使用者の視力矯正用光学的パワーを有していてもよいし、例えば平行平板として構成されてそのような光学的パワーを有していなくてもよい。 [0032] Incidentally, the plate-like portion may be, for example, have an optical power for vision correction of a user, for example may not have such an optical power is configured as a parallel plate . この点は、後述する各態様についても同様である。 This is also true for each embodiment to be described later.
【００３３】本発明の第２の態様によるイメージコンバイナは、前記第１の態様において、前記第１の透過型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つものである。 The image combiner according to the second aspect of the present invention is the first aspect, the first transmission type holographic optical element is one having an optical power.
【００３４】この第２の態様によれば、第１の透過型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つので、表示画像を拡大したり収差を補正したりするためのレンズ系をなくしたりあるいは減らしたりすることができ、装置全体のコストダウンと軽量化を図ることができる。 [0034] According to the second aspect, since the first transmission type holographic optical element has optical power, or or or reduces eliminate lens system for or to correct the aberration or enlarge the display image it can be, it is possible to reduce the cost and weight of the entire apparatus.
【００３５】本発明の第３の態様によるイメージコンバイナは、前記第１又は第２の態様において、前記第１の透過型ホログラム光学素子が、前記画像表示素子の表示部の中心に対応する主光線に対する偏向角が絶対値で４ The image combiner according to the third aspect of the present invention is the first or second aspect, the first transmission type holographic optical element, the principal ray corresponding to the center of the display unit of the image display device deflection angle is an absolute value for the 4
５度以下となる光路偏向作用を持つものである。 5 ° those with an optical path deflecting action is as follows.
【００３６】この第３の態様によれば、第１の透過型ホログラム光学素子が、前記偏向角が絶対値で４５度以下となる光路偏向作用を持つので、前記偏向角が４５度より大きい場合に比べて、当該第１の透過型ホログラム光学素子で発生する収差を低減することができ、表示画像の画質を向上させることができる。 [0036] According to the third aspect, the first transmission type holographic optical element, since having an optical path deflecting function of the deflection angle of 45 degrees or less in absolute value, the when the deflection angle is greater than 45 degrees compared to, the it is possible to reduce the aberration caused by the first transmission type holographic optical element, it is possible to improve the image quality of the display image.
【００３７】本発明の第４の態様によるイメージコンバイナは、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、 The image combiner according to the fourth aspect of the present invention, in the first to third one aspect,
前記第１の透過型ホログラム光学素子が前記板状部の面に対して傾けられたものである。 In which the first transmission type holographic optical element is inclined to the plane of the plate-like portion.
【００３８】この第４の態様によれば、第１の透過型ホログラム光学素子が板状部の面に対して傾けられているので、当該第１の透過型ホログラム光学素子での収差の発生の低減及び回折効率の向上を図りつつ、眼に正対する方向に対して角度を持って当該第１の透過型ホログラム光学素子に入射して来た画像表示素子からの光を眼に正対する方向に近づけることが可能となる。 [0038] According to the fourth aspect, since the first transmission type holographic optical element is inclined to the plane of the plate-like portion, the aberration at the first transmission type holographic optical element generating while improving reduction and diffraction efficiency at an angle relative to the positive against the direction the eye with light from the first transmission type image display device came incident on the hologram optical element directly opposite direction to the eye It can be brought close to become.
【００３９】本発明の第５の態様によるイメージコンバイナは、前記第４の態様において、前記画像表示素子からの光が、前記板状部の前記眼と反対側の面から当該面に対して斜めに入射して当該面で屈折し、前記第１の透過型ホログラム光学素子を透過した後に、前記板状部の前記眼の側の面から射出されるものである。 The fifth image combiner according to aspects of the present invention, in the fourth aspect, the light from the image display element, obliquely with respect to the surface from the surface opposite to the eye of the plate-like portion incident on the refraction in the plane, after having passed through the first transmission type holographic optical element, are those emitted from the surface of the side of the eye of the plate-like portion.
【００４０】この第５の態様によれば、板状部内に第１ According to the fifth aspect of the first to the plate-like portion
の透過型ホログラム光学素子のみを設ければよいので、 Since it is sufficient to provide a transmission type holographic optical element only,
構造が簡単で安価に提供することができる。 Structure it is possible to provide a simple and low cost.
【００４１】本発明の第６の態様によるイメージコンバイナは、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、 The image combiner according to the sixth aspect of the invention, in the first to fourth any aspect of the,
前記眼の視野内において、前記板状部の前記眼の側の面に、平面状又は曲面状の第２の透過型ホログラム光学素子が設けられたものである。 In the field of view of the eye, the surface of the side of the eye of the plate portion, in which the second transmission type holographic optical element of planar or curved is provided.
【００４２】この第６の態様によれば、前記板状部における前記眼と対向する位置付近において、第１及び第２ [0042] According to the sixth aspect, in the vicinity of a position facing the eye in the plate portion, the first and second
の透過型ホログラム光学素子が設けられているので、例えば、これらの２つの透過型ホログラム光学素子で画像表示素子からの光の偏向角や光学的パワーを分担したりすることができることから、収差の発生を容易に低減することができるとともに、光学設計の自由度が増して光学設計も容易となる。 Of the transmittance type holographic optical element is provided, for example, since it is possible or share the deflection angle and the optical power of the light from the image display element in these two transmission type holographic optical element, aberrations it is possible to easily reduce the occurrence, is facilitated optical design increases the degree of freedom of optical design. なお、板状部における前記眼と対向する位置付近において２つの反射型ホログラム光学素子を設けようとしても、そのような配置は不可能である。 Incidentally, even it is intended to create two reflective holographic optical element in the vicinity of a position facing the eye of the plate-like portion, such an arrangement is not possible.
【００４３】本発明の第７の態様によるイメージコンバイナは、前記第６の態様において、前記第２の透過型ホログラム光学素子が、前記第１の透過型ホログラム光学素子により偏向された前記画像表示素子の表示部の中心に対応する主光線を、同じ向きに更に偏向させる光路偏向作用を持つものである。 The image combiner according to the seventh aspect of the present invention, the In a sixth aspect, the second transmission type holographic optical element, said first transmission type holographic optical the image display device which is deflected by the element principal rays corresponding to the center of the display unit, and has an optical path deflecting action to further deflect in the same direction.
【００４４】この第７の態様によれば、第１及び第２の透過型ホログラム光学素子で画像表示素子からの光の偏向角が分担されるので、収差の発生をより低減することができる。 [0044] According to the seventh aspect, since the deflection angle of the light from the image display device in the first and second transmission type holographic optical element is shared, it is possible to further reduce the occurrence of aberrations.
【００４５】本発明の第８の態様によるイメージコンバイナは、前記第６又は第７の態様において、前記第２の透過型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つものである。 The image combiner according to the eighth aspect of the present invention, in the sixth or seventh aspect, the second transmission type holographic optical element is one having an optical power.
【００４６】この第８の態様によれば、第２の透過型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つので、第１の透過型ホログラム光学素子が光学的パワーを持たなくても、表示画像を拡大したり収差を補正したりするためのレンズ系をなくしたりあるいは減らしたりすることができ、装置全体のコストダウンと軽量化を図ることができる。 [0046] According to the eighth aspect, since the second transmission type holographic optical element has optical power, the first transmission type holographic optical element need not have an optical power, larger display image or aberration can be or or reduce or eliminate the lens system for or correct, it is possible to reduce the cost and weight of the entire apparatus. また、第２の透過型ホログラム光学素子のみならず、第１の透過型ホログラム光学素子も光学的パワーを持てば、両者で光学的パワーを分担したり収差を補正したりすることも可能となって結像性能を高め易いとともに、光学設計の自由度が増して光学設計も容易となる。 Further, not only the second transmission type holographic optical element, if able to have a first transmission type holographic optical element also optical power, also capable or correcting aberration or share the optical power in both together easily enhance the imaging performance Te, is facilitated optical design increases the degree of freedom of optical design.
【００４７】本発明の第９の態様によるイメージコンバイナは、前記第６乃至第８のいずれかの態様において、 The image combiner according to a ninth aspect of the present invention, in any of the embodiments of the sixth to eighth,
前記第２の透過型ホログラム光学素子が、前記画像表示素子の表示部の中心に対応する主光線に対する偏向角が絶対値で４５度以下となる光路偏向作用を持つものである。 It said second transmission type holographic optical element, and has an optical path deflecting action of the deflection angle of 45 degrees or less in absolute value with respect to the main ray which corresponds to the center of the display unit of the image display device.
【００４８】この第９の態様によれば、第２の透過型ホログラム光学素子が、前記偏向角が絶対値で４５度以下となる光路偏向作用を持つので、前記偏向角が４５度より大きい場合に比べて、当該第２の透過型ホログラム光学素子で発生する収差を低減することができ、表示画像の画質を向上させることができる。 [0048] According to the ninth aspect, the second transmission type holographic optical element, since having an optical path deflecting function of the deflection angle of 45 degrees or less in absolute value, the when the deflection angle is greater than 45 degrees compared to, it is possible to reduce the aberration occurring in the second transmission type holographic optical element, it is possible to improve the image quality of the display image.
【００４９】本発明の第１０の態様によるイメージコンバイナは、前記第６乃至第９のいずれかの態様において、前記画像表示素子からの光は、前記板状部の前記眼と反対側の面から当該面に対して斜めに前記板状部内に入射して当該面で屈折した後に、前記第１の透過型ホログラム光学素子及び前記第２の透過型ホログラム光学素子を順次透過して、前記第２の透過型ホログラム光学素子から射出されるものである。 The image combiner according to a tenth aspect of the present invention, in the sixth to one aspect of the ninth, the light from the image display device from the eye opposite to the surface of the plate-like portion after being refracted by the surface enters the plate-like portion at an angle with respect to the surface, successively transmitted through the first transmission type holographic optical element and said second transmission type holographic optical element, the second it is those emitted from the transmission type holographic optical element.
【００５０】本発明の第１１の態様によるイメージコンバイナは、前記第６乃至第９のいずれかの態様において、前記画像表示素子からの光は、前記板状部の前記眼と反対側の面の内側で実質的に全反射した後に、前記第１の透過型ホログラム光学素子及び前記第２の透過型ホログラム光学素子を順次透過して、前記第２の透過型ホログラム光学素子から射出されるものである。 The image combiner according to the eleventh aspect of the present invention, in any of the embodiments of the sixth to ninth light from said image display element, the eye opposite to the surface of the plate-like portion after substantially total reflection inside, the first transmission type holographic optical element and the sequentially transmitted the second transmission type holographic optical element, intended to be emitted from the second transmission type holographic optical element is there.
【００５１】本発明の第１２の態様によるイメージコンバイナは、前記第１１の態様において、前記画像表示素子からの光は、前記板状部の前記眼と反対側の面の内側で実質的に全反射する前に、前記板状部の前記眼の側の面の内側で実質的に全反射するものである。 The image combiner according to the twelfth aspect of the present invention, in the eleventh aspect, the light from the image display element, substantially the entire inside of the opposite surface and the eye of the plate-like portion before reflecting, it is to substantially totally reflected by the inner surface of the side of the eye of the plate-like portion.
【００５２】本発明の第１３の態様によるイメージコンバイナは、前記第１１の態様において、前記板状部の内部又は表面に反射面又は反射型ホログラム光学素子が設けられ、前記画像表示素子からの光は、前記板状部の前記眼と反対側の面の内側で実質的に全反射する前に、前記反射面又は前記反射型ホログラム光学素子で反射されるものである。 [0052] the image combiner according to a thirteenth aspect of the present invention, the in the eleventh aspect, the reflective surface or reflective holographic optical element is provided in or on the plate-like portion, the light from the image display device prior to substantially total reflection inside of the eye on the opposite side of the surface of the plate portion, in which is reflected by the reflection surface or the reflection type holographic optical element.
【００５３】前記第１０乃至第１３の態様は、第１及び第２の透過型ホログラム光学素子を有するイメージコンバイナの具体例を挙げたものであるが、前記第６乃至第９の態様ではこれらの例に限定されるものではない。 [0053] An embodiment of the tenth to thirteenth, although that specific examples of image combiner having first and second transmission type holographic optical element, in the sixth to ninth aspects of these It is not limited to the example.
【００５４】本発明の第１４の態様によるイメージコンバイナは、光学材料で構成され光学的パワーを持つかあるいは光学的パワーを持たない板状部を備え、使用時に前記板状部の少なくとも一部が使用者の眼の前に位置し、前記板状部の前方から前記板状部の厚みを通過するように前記板状部を透過する光に対して、画像表示素子からの光を重畳させて、前記眼に導くイメージコンバイナであって、前記板状部における前記眼と対向する位置付近において、前記板状部の前記眼の側の面に、光路偏向作用を持つ透過型ホログラム光学素子が設けられたものである。 [0054] the image combiner according to the fourteenth aspect of the present invention is provided with a plate-like portion having no or optical power with an optical power of an optical material is formed, at least a portion of the plate-like portion during use located in front of the eye of the user, with respect to light transmitted through the plate-like portion so as to pass through the thickness of the plate portion from the front side of the plate portion, it superimposes the light from the image display device , an image combiner leading to the eye, in the vicinity of a position facing the eye in the plate portion, the surface of the side of the eye of the plate portion, the transmission type holographic optical element is provided with an optical path deflecting action It was those.
【００５５】この第１４の態様によれば、板状部における使用者の眼と対向する位置付近において板状部の前記眼の側の面に光路偏向作用を持つ第１の透過型ホログラム光学素子が設けられているので、前記第１の態様と同様に、図１３に示す前記画像表示装置で生じていたような種々の制約が解消又は緩和され、板状部の厚みが薄いにも関わらず、表示画像の画角をより広くしたり表示画像に対する射出瞳径をより大きくしたりすることが可能となる。 [0055] The According to a fourteenth aspect, the first transmission type holographic optical element having a light path deflection action on the surface of the side of the eye of the plate-like portion in the vicinity of a position facing the eye of the user in the plate-like portion since it is provided, as in the first embodiment, the image display device various restrictions, as has occurred in shown in FIG. 13 is eliminated or relaxed, despite the small thickness of the plate-like portion , it is possible or larger exit pupil diameter to more widely and view images the angle of the displayed image.
【００５６】本発明の第１５の態様によるイメージコンバイナは、前記第１４の態様において、前記透過型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つものである。 [0056] the image combiner according to the fifteenth aspect of the present invention, in the fourteenth aspect, the transmission type holographic optical element is one having an optical power.
【００５７】この第１５の態様によれば、透過型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つので、表示画像を拡大したり収差を補正したりするためのレンズ系をなくしたりあるいは減らしたりすることができ、装置全体のコストダウンと軽量化を図ることができる。 [0057] According to the fifteenth aspect, since the transmission type holographic optical element having an optical power, be or or or reduces eliminate lens system for or to correct the aberration or enlarge the display image can, it is possible to reduce the cost and weight of the entire apparatus.
【００５８】本発明の第１６の態様によるイメージコンバイナは、前記第１４又は第１５の態様において、前記透過型ホログラム光学素子が、前記画像表示素子の表示部の中心に対応する主光線に対する偏向角が絶対値で４ [0058] the image combiner according to a sixteenth aspect of the present invention, in the fourteenth or fifteenth aspect, the deflection angle the transmission type holographic optical element, with respect to the main ray which corresponds to the center of the display unit of the image display device 4 but in absolute value
【００５９】この第１６の態様によれば、透過型ホログラム光学素子が、前記偏向角が絶対値で４５度以下となる光路偏向作用を持つので、前記偏向角が４５度より大きい場合に比べて、当該透過型ホログラム光学素子で発生する収差を低減することができ、表示画像の画質を向上させることができる。 [0059] According to the sixteenth aspect, the transmission type holographic optical element, since having an optical path deflecting function of the deflection angle of 45 degrees or less in absolute value, compared to the case where the deflection angle is greater than 45 degrees , it is possible to reduce the aberration generated in the transmission type holographic optical element, it is possible to improve the image quality of the display image.
【００６０】本発明の１７の態様によるイメージコンバイナは、前記第１４乃至第１６のいずれかの態様において、前記画像表示素子からの光の光路中で前記板状部の内部にエアギャップ層又はハーフミラーが設けられ、前記画像表示素子からの光は、前記エアギャップ層の面で実質的に全反射するかあるいは前記ハーフミラーで反射した後に、前記透過型ホログラム光学素子を透過して、 [0060] the image combiner according to 17th aspect of the present invention, the fourteenth to the 16 any of the embodiments, internal air gap layer or half of the plate-shaped portion in the optical path of the light from the image display device mirror is provided, the light from the image display element after being reflected by the or the half-mirror substantially totally reflected by the surface of the air gap layer, and transmitted through the transmission type holographic optical element,
前記透過型ホログラム光学素子から射出されるものである。 It is those emitted from the transmission type holographic optical element.
【００６１】本発明の第１８の態様によるイメージコンバイナは、前記第１４乃至第１６のいずれかの態様において、前記画像表示素子からの光の光路中にエアギャップ層が設けられ、該光路中でかつ前記板状部の前記眼と反対側の面にハーフミラー又は反射型ホログラム光学素子が設けられ、前記画像表示素子からの光は、前記エアギャップ層の面で実質的に全反射した後に前記ハーフミラー又は前記反射型ホログラム光学素子で反射され、更に前記エアギャップ層を透過した後に前記透過型ホログラム光学素子を透過して、前記透過型ホログラム光学素子から射出されるものである。 [0061] the image combiner according to the eighteenth aspect of the present invention, in the fourteenth to sixteenth any aspect of an air gap layer is provided in the optical path of the light from the image display device, by the optical path and a half mirror or reflective holographic optical element is provided in the eye opposite to the surface of the plate portion, the light from the image display element, wherein after substantially all reflected on the surface of the air gap layer it is reflected by the half mirror or the reflective holographic optical element, and further wherein the transmitted through the transmission type holographic optical element after passing through the air gap layer, is emitted from the transmission type holographic optical element.
【００６２】前記第１７及び第１８の態様は、板状部の眼の側の面に透過型ホログラム光学素子を有するイメージコンバイナの具体例を挙げたものであるが、第１４乃至第１６の態様ではこれらの例に限定されるものではない。 [0062] An embodiment of the seventeenth and eighteenth although that specific examples of image combiner having a transmission type holographic optical element on a surface side of the eye of the plate portion, fourteenth to sixteenth aspect of in is not limited to these examples.
【００６３】本発明の第１９の態様によるイメージコンバイナは、前記第１乃至第１８のいずれかの態様において、前記画像表示素子からの光に対する当該イメージコンバイナの射出瞳の、前記画像表示素子の表示部の中心に対応する主光線の偏向前後の光路を含む面に沿った径が、前記板状部の厚さの１／２より大きいものである。 [0063] the image combiner according to the nineteenth aspect of the present invention, the in any of the embodiments of the first to 18, of the image combiner of the exit pupil with respect to light from the image display device, the display of the image display device diameter along the plane including the optical path before and after the deflection of the main light beam corresponding to the center parts are is greater than half the thickness of the plate-like portion.
【００６４】この第１９の態様のように前記射出瞳の径を定めておけば、板状部の厚みに比べてかなり大きな射出瞳の径に設定されていることから、当該イメージコンバイナと使用者の眼との位置ずれの許容量が増大することにつながり、位置合わせの煩わしさをより低減又は解消することができる。 [0064] if defines the diameter of the exit pupil as the nineteenth aspect, since it is set fairly diameter of large exit pupil than the thickness of the plate portion, with the image combiner user leads to the tolerance of the positional deviation between the eye increases, it is possible to further reduce or eliminate the burden of alignment.
【００６５】本発明の第２０の態様による画像表示装置は、前記第１乃至第１９のいずれかの態様によるイメージコンバイナと、前記画像表示素子とを備え、使用時に少なくとも前記イメージコンバイナを含む部分が使用者に装着されるものである。 [0065] The image display apparatus according to a twentieth aspect of the present invention, the image combiner according to any of the first to nineteenth, an said image display device, the portion including at least the image combiner in use it is intended to be worn by the user.
【００６６】この第２０の態様によれば、前記第１乃至第１９の態様によるイメージコンバイナを用いた、頭部装着式等の画像表示装置の例を挙げたものである。 [0066] According to the twentieth aspect, the using an image combiner according to the first to the nineteenth aspect, in which an example of an image display device of the head mounted type or the like. もっとも、前記第１乃至第１９の態様によるイメージコンバイナは、カメラのファインダーや顕微鏡及び双眼鏡の接眼レンズ部に装着し得るように構成したり、あるいは、 However, the first through the image combiner according to the nineteenth aspect, or configured to be mounted to the eyepiece of the camera viewfinder and microscopes and binoculars, or,
当該イメージコンバイナをカメラや顕微鏡や双眼鏡等に組み込んでもよい。 The image combiner may be integrated into the camera or a microscope, binoculars, and the like. このように組み込む場合には、当該イメージコンバイナの板状部をカメラのファインダーや顕微鏡及び双眼鏡の接眼レンズと兼用するように構成してもよい。 If such incorporated may be configured to also serve as the image combiner of the plate-like portion camera finder or a microscope and binocular eyepieces.
【発明の実施の形態】以下、本発明によるイメージコンバイナ及び画像表示装置について、図面を参照して説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the image combiner and the image display apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
【００６８】［第１の実施の形態］ [0068] [First Embodiment]
【００６９】図１は、本発明の第１の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線（画像表示素子１２からの光線のみ）の概略の経路を示す図である。 [0069] Figure 1 is a diagram showing the path of the outline of the (light only from the image display device 12) configuration and a beam of image display apparatus according to the first embodiment of the present invention.
【００７０】ここでは、図１に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。 [0070] Here, as shown in FIG. 1, X-axis orthogonal to each other, to define a Y-axis and Z-axis. すなわち、図１の紙面内の左右方向をＺ軸とし、そのＺ座標値の大きくなる向きは右と定義する。 That is, the left-right direction in the plane of FIG. 1 with the Z axis, larger direction of the Z-coordinate value is defined as the right. 図１の紙面内の上下方向をＹ軸とし、Ｙ座標値の大きくなる向きは上と定義する。 The vertical direction in the plane of FIG. 1 and the Y-axis, larger orientation Y coordinate values ​​are defined as above. 図１ Figure 1
の紙面に垂直な方向をＸ軸とし、右手系、すなわち、図１の紙面から奥の方向をＸ座標値が大きくなると定義する。 The direction perpendicular to the paper surface is referred to as an X-axis, right-handed, that is, define the plane of FIG. 1 and the direction of the back is the X coordinate value increases. なお、Ｙ軸方向は、実際の上下方向と一致していてもよいし、その他の適宜方向であってもよい。 Incidentally, Y-axis direction, may coincide with the actual vertical, or may be other suitable direction. これらの定義は、後述する図１、図２、図４、図５、図７、図８、図１０、図１２についても、同様である。 These definitions, 1 which will be described later, FIGS. 2, 4, 5, 7, 8, 10, also 12, is the same.
【００７１】本実施の形態による画像表示装置は、イメージコンバイナ１１と、画像表示素子１２とを備えている。 [0071] The image display apparatus according to the present embodiment includes an image combiner 11, and an image display device 12.
【００７２】本実施の形態では、画像表示素子１２として透過型ＬＣＤが用いられている。 [0072] In this embodiment, the transmission type LCD is used as an image display device 12. 画像表示素子１２ Image display element 12
は、その背部から、ＬＥＤ１３及び放物面鏡等の反射鏡１４からなる光源により光源光が照射され、光源光を空間光変調して表示画像を示す光を透過させる。 From its back, the light source light is irradiated by a light source comprising a reflecting mirror 14 such LED13 and parabolic mirrors, the light source light to transmit light showing a display image by spatial light modulation. なお、画像表示素子１２として、反射型ＬＣＤ等の他の素子を用いてもよいことは、言うまでもない。 Incidentally, as the image display element 12, it may use other elements such as reflective LCD, needless to say.
【００７３】イメージコンバイナ１１は、ガラスやプラスティック等の光学材料で平行平板状に構成された板状部１５を備えている。 [0073] the image combiner 11 is provided with a plate-like portion 15 that is configured to parallel plate of an optical material such as glass or plastic. もっとも、板状部１５は、例えば使用者の視力矯正用光学的パワーを有していてもよい。 However, the plate-like portion 15, for example may have an optical power for vision correction of the user.
その場合には、例えば、板状部１５の両面１５ａ，１５ In that case, for example, both sides 15a, 15 of the plate-like portion 15
ｂのうちの少なくとも一方の面は、曲面で構成される。 At least one surface of the b is composed of a curved surface.
これらの点は、後述する各実施の形態についても同様である。 These points are the same for each embodiment described below.
【００７４】板状部１５は、フレーム等の支持部材（図示せず）を介して、眼鏡レンズと同様に、使用者の頭部に装着されて、使用者の眼１６の前に位置する。 [0074] plate-like portion 15, via a support member such as a frame (not shown), like the spectacle lens, is worn on the head of a user, positioned in front of the user's eye 16. 図１において、Ｐは、イメージコンバイナ１１の、画像表示素子１２からの光に対する射出瞳を示す。 In Figure 1, P indicates the image combiner 11, the exit pupil to light from the image display element 12. この射出瞳Ｐが使用者の眼１６の瞳１６ａとほぼ一致するように、イメージコンバイナ１が使用者に装着される。 The exit pupil P is such that substantially coincides with the pupil 16a of the user's eye 16, image combiner 1 is worn by the user. 図１では、Ｚ In Figure 1, Z
軸方向が板状部１５の厚み方向と一致している。 Axial direction is the same as the thickness direction of the plate-like portion 15. 板状部１５の眼１６の側の面１５ａ及び眼１６と反対側の面１ The plane of the surface 15a and the eye 16 of the side of the eye 16 of the plate portion 15 opposite 1
５ｂは、ＸＹ平面と平行となっている。 5b are parallel to the XY plane. なお、図面には示していないが、ＬＥＤ１３、反射鏡１４及び画像表示素子１２も、前記支持部材により支持されている。 Although not shown in the drawings, LED 13, a reflecting mirror 14 and the image display device 12 is also supported by the support member. これにより、画像表示素子１２は、使用者が外界を観察するのを妨げないとともに、使用者が当該画像表示装置を装着するときに邪魔にならないように、板状部１５に対して図中紙面内の斜め右上方に配置されている。 Thus, the image display device 12, as well as does not prevent the user to observe the outside, so as not to interfere when the user wears the image display device, the paper surface in FIG respect to the plate-like portion 15 It is arranged diagonally right above the inner.
【００７５】もっとも、画像表示素子１２を他の適当な箇所に配置し、リレー光学系によって図１中の画像表示素子１２の位置に表示画像を導いてもよいし、また、スキャン光学系を用いてこの位置に空中画像を形成してもよい。 [0075] However, the image display element 12 disposed in other suitable locations may be led display image at the position of the image display device 12 in FIG. 1 by the relay optical system, also using the scanning optical system aerial image at this position Te may be formed. この点は、後述する各実施の形態についても同様である。 The same applies for the embodiments to be described later.
【００７６】なお、図１において、点Ｂ１，Ｂ２は、画像表示素子１２の表示部の図中紙面内での両端の位置をそれぞれ示す。 [0076] In FIG. 1, the point B1, B2 indicates the position of both ends of in the figure of the display portion of the image display device 12 in the paper, respectively. また、点Ｂ０は、当該表示部の中心を示す。 A point B0 indicates the center of the display unit.
【００７７】イメージコンバイナ１１は、板状部１５の前方から板状部１５の厚みｄを通過するように（すなわち、面１５ｂから入射して面１５ａから射出するように）板状部１５を透過する光（以下、「外界光」という。）に対して、画像表示素子１２からの光を重畳させて、使用者の眼１６に導くように構成されている。 [0077] the image combiner 11, from the front of the plate portion 15 so as to pass through the thickness d of the plate-like portion 15 (i.e., so as to emit from the surface 15a is incident from the surface 15b) passing through the plate-like portion 15 light (hereinafter. referred to as "external light") against superimposes the light from the image display element 12, is configured to direct the eye 16 of the user.
【００７８】本実施の形態では、板状部１５における使用者の眼１６と対向する位置付近において、板状部１５ [0078] In this embodiment, in the vicinity of a position facing the eye 16 of the user in the plate-like portion 15, the plate-like portion 15
の内部に、透過型ホログラム光学素子（透過型ＨＯＥ） Inside the transmission type holographic optical element (transmission type HOE)
１７が設けられている。 17 is provided. 本実施の形態では、透過型ＨＯ In this embodiment, the transmission type HO
Ｅ１７は、図１に示すように、面１５ａ，１５ｂに対して反時計方向に所定角度傾けられ、面１５ａ，１５ｂと平行な向きから、画像表示素子１２からの光の入射角と射出角が共に小さくなる方向に傾けられている。 E17, as shown in FIG. 1, the surface 15a, is inclined at a predetermined angle in the counterclockwise direction with respect to 15b, a surface 15a, from 15b parallel orientation, exit angle and the angle of incidence of light from the image display element 12 is It is inclined in the direction in which both reduced.
【００７９】例えば、透過型ＨＯＥ１７を配置する面に沿って板状部１５を一旦切断し、両者の間に透過型ＨＯ [0079] For example, along the surface to place the transmission HOE17 temporarily cut plate-like portion 15, a transmission type HO therebetween
Ｅ１７を挟み込んで接着剤（その屈折率は板状部１５と実質的に同じ屈折率である。）で接合することによって、透過型ＨＯＥ１７を板状部１５の内部に設けることができる。 Sandwiches the E17 adhesive (a refractive index of substantially the same refractive index as the plate-like portion 15.) By joining in may be provided a transmission HOE17 inside the plate-like portion 15.
【００８０】画像表示素子１２からの光の波長は、この透過型ＨＯＥ１７の回折効率ピークの波長と略一致しており、画像表示素子１２からの光を偏向させて透過させる。 [0080] wavelength of light from the image display element 12, the substantially the wavelength of the diffraction efficiency peak of the transmission HOE17 are coincident, and transmits it to deflect the light from the image display element 12. 一方、透過型ＨＯＥ１７は、外界光（図示せず）を偏向させることなく透過させる。 On the other hand, transmissive HOE17 is to transmit without deflecting the external light (not shown). なお、透過型ＨＯＥ１ In addition, the transmission type HOE1
７としては、外界光を極力妨げることがないように、波長選択性の高いものを用いることが好ましい。 The 7, so as not to interfere with the external light as much as possible, it is preferable to use a high wavelength selectivity. 透過型Ｈ Transmission-type H
ＯＥ１７として、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色を代表する狭い波長域の３波長光に対してそれぞれ選択性を持つものを用いれば、使用者が見る表示画像をカラー化することも可能である。 As OE17, R, G, it is used those having a respective selectivity for 3-wavelength light in a narrow wavelength band representing each color of B, and also possible to color the display image the user sees.
【００８１】透過型ＨＯＥ１７は、図１に示すように、 [0081] transmissive HOE17, as shown in FIG. 1,
画像表示素子１２からの光をＸ軸回りに時計方向に偏向させる特性を有しているとともに、所定の結像作用を持つように光学的パワーを有している。 The light from the image display element 12 on the X axis with has characteristics such that it deflects in a clockwise direction and has an optical power so as to have a predetermined image forming operation. もっとも、透過型ＨＯＥ１７は、必ずしも光学的パワーを持つ必要はない。 However, transmission type HOE17 does not necessarily need to have an optical power. 画像表示素子１２の表示部の中心Ｂ０に対応する主光線Ｏに対する透過型ＨＯＥ１７の偏向角は、透過型Ｈ The deflection angle of transmission HOE17 for principal rays O corresponding to the center B0 of the display unit of the image display device 12, the transmission type H
ＯＥ１７で発生する収差を抑えるため、絶対値で４５度以下であることが好ましい。 To suppress the aberration generated in OE17, preferably not more than 45 degrees in absolute value. 透過型ＨＯＥ１７は、平面状のものでもよいし、曲面状のものでもよい。 Transmissive HOE17 may be one planar, it may be of a curved shape. 透過型Ｈ Transmission-type H
ＯＥ１７として曲面状のものを用いる場合、その曲面の曲率中心が瞳１６ａ側にあるように配置すると、画角が大きい場合に、透過型ＨＯＥ１７の発生する画角による収差変動量が小さくなり、好ましい。 If to use a curved as OE17, the center of curvature of the curved surface is arranged such that the pupil 16a side, when the angle is large, the aberration variation due to the field angle for generating the transmission HOE17 is reduced, preferably .
【００８２】透過型ＨＯＥ１７を構成するためのホログラム感光材料としては、例えば、フォトポリマー、フォトレジスト、フォトクロミック、フォトダイクロミック、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン、ダイクロメートゼラチン、プラスチック、強誘電体、磁気光学材料、電気光学材料、非晶質半導体、フォトリフラクチィブ材料等が用いられる。 [0082] As the hologram photosensitive material for forming the transmissive HOE17, e.g., photopolymer, photo resist, photochromic, photo dichroic Mick, silver salt emulsion, dichromated gelatin, die chromate gelatin, plastic, ferroelectric, magneto-optic material, an electro-optical material, an amorphous semiconductor, photo riffs easy cheh Bed material or the like is used. そして、公知の手法に従い、製造用の光学系にて２つの光源からの光を前記材料に同時に照射することによって、透過型ＨＯＥ１７を作製することができる。 Then, according to known techniques, by simultaneously irradiating the light from the two light sources by an optical system for producing material, it can be manufactured transmissive HOE17. この点は、後述する透過型ＨＯＥ２０についても同様である。 The same applies for the transmission type HOE20 described later.
【００８３】画像表示素子１２の表示部上の任意の点を通過した光（表示画像の光）は、板状部１５の眼１６と反対側の面１５ｂから当該面１５ｂに対して斜めに入射し当該面１５ｂで屈折して板状部１５内に入り、透過型ＨＯＥ１７を透過する。 [0083] (Light of the display image) light passing through an arbitrary point on the display unit of the image display device 12 is incident from the opposite side of the surface 15b and the eye 16 of the plate-like portion 15 obliquely with respect to the surface 15b and enters the plate-like portion 15 is refracted in the surface 15b, transmitted through the transmission HOE17. このとき、この光は、透過型Ｈ At this time, the light is transmissive H
ＯＥ１７により、光路偏向作用及び結像作用を受ける。 The OE17, receives light path deflection action and image forming action.
その後、この光は、板状部１５の眼１６側の面１５ａから板状部１５外へ射出される。 Thereafter, the light is emitted from the surface 15a of the eye 16 side of the plate-like portion 15 to the plate-like portion 15 outside. この時、画像表示素子１ At this time, the image display device 1
２の同一箇所から出た光は、ほぼ平行な光束となって使用者の眼１６の瞳１６ａに入射する。 Light emitted from the same position 2 is incident on the pupil 16a of the user's eye 16 becomes substantially parallel beam.
【００８４】画像表示素子１２からの光に対するイメージコンバイナ１１の射出瞳Ｐの、画像表示素子１２の表示部の中心に対応する主光線Ｏの偏向前後の光路を含む面（図１中の紙面）に沿った径が、板状部１５の厚さｄ [0084] of the exit pupil P of the image combiner 11 to light from the image display element 12, a plane including the optical path before and after the deflection of the principal ray O corresponding to the center of the display unit of the image display device 12 (paper surface in FIG. 1) diameter along the can, the thickness of the plate-like portion 15 d
の１／２より大きいことが好ましい。 It is preferred of greater than 1/2.
【００８５】本実施の形態によれば、使用者の眼１６の視野内で板状部１５の内部に光路偏向作用を持つ透過型ＨＯＥ１７が設けられているので、図１３に示す前記画像表示装置で生じていたような種々の制約が解消又は緩和され、板状部１５の厚みが薄いにも関わらず、表示画像の画角をより広くしたり表示画像に対する射出瞳Ｐの径をより大きくしたりすることが可能となる。 According to [0085] this embodiment, since the transmission HOE17 is provided with internal optical path deflecting action of the plate portion 15 in the field of view of the user's eye 16, the image display device shown in FIG. 13 in occur have been such various limitations can be eliminated or alleviated, despite the small thickness of the plate portion 15, and larger diameter of the exit pupil P for more widely and view images the angle of the display image it is possible to or. 具体的には、本実施の形態では、図１から明らかなように、板状部１５の厚みｄが薄くても、必要に応じて透過型ＨＯＥ Specifically, in this embodiment, as apparent from FIG. 1, even if a small thickness d of the plate portion 15, the transmission type as required HOE
１７の傾きを面１５ａ，１５ｂと平行な方向に近づけ、 Close the inclination of 17 surfaces 15a, 15b, a direction parallel
それに応じた光路偏向特性を透過型ＨＯＥ１７に持たせ、透過型ＨＯＥ１７の図中紙面内での長さ及び画像表示素子１２の図中紙面内での長さをそれぞれ長くすれば、図１３に示すような画像表示装置に比べて、表示画像の画角をより広くしたり表示画像に対する射出瞳径をより大きくしたりすることができる。 The optical path deflecting characteristics accordingly to have a transmission type HOE17, if the length in drawing in the plane of the transmissive HOE17 and the image display device 12 in figure within the paper length long, respectively, shown in FIG. 13 compared to the image display device as may be or larger exit pupil diameter to more widely and view images the angle of the displayed image.
【００８６】［第２の実施の形態］ [0086] [Second Embodiment]
【００８７】図２は、本発明の第２の実施の形態の第１ [0087] Figure 2 is a first of the second embodiment of the present invention
の具体例による画像表示装置の構成及びその光線（画像表示素子１２からの光線のみ）の経路を示す図である。 Specific examples of diagrams showing (only the light rays from the image display device 12) configuration and a beam of image display apparatus according to.
図４は、本発明の第２の実施の形態の第２の具体例による画像表示装置の構成及びその光線（画像表示素子１２ 4, the configuration and the ray (the image display device of the image display apparatus according to a second specific example of the second embodiment of the present invention 12
からの光線のみ）の経路を示す図である。 It is a diagram showing the path of light rays only) from.
【００８８】図２及び図４において、図１中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。 [0088] In FIGS. 2 and 4, the same reference numerals denote the same or corresponding elements as in FIG. 1 and duplicate explanation is omitted. なお、図２において、光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は省略している。 Incidentally, in FIG. 2, LED 13 and the reflector 14 constitute the light source is omitted. また、図２ In addition, FIG. 2
において、イメージコンバイナ１１の射出瞳Ｐの位置にほぼ一致して置かれる使用者の眼１６及びその瞳１６ａ In substantially coincident with the user's eye 16 and the pupil 16a to be placed in the position of the exit pupil P of the image combiner 11
も、省略している。 Also, it is omitted.
【００８９】本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なる所は、図２及び図４に示すように、使用者の視野に入る位置付近において、板状部１５の眼１６の側の面１５ａに、透過型ＨＯＥ２０が追加されている点のみである。 [0089] This embodiment is the first embodiment and basically different place, as shown in FIGS. 2 and 4, at a position near to entering the field of view of the user's eye of the plate-like portion 15 16 the surface 15a of the side, it is only in that transmission HOE20 is added.
【００９０】本実施の形態では、透過型ＨＯＥ１７が光路偏向作用及び光学的パワーを有するのみならず、透過型ＨＯＥ２０も光路偏向作用及び光学的パワーを有している。 [0090] In the present embodiment, transmission HOE17 not only has an optical path deflecting action and optical power, transmission HOE20 also has an optical path deflecting action and optical power. そして、透過型ＨＯＥ２０は、透過型ＨＯＥ１７ Then, the transmission type HOE20, the transmission type HOE17
により偏向された画像表示素子１２の表示部の中心Ｂ０ The center of the display unit of the image display element 12 deflected by the B0
に対応する主光線Ｏを、同じ向きに更に偏向させる光路偏向作用を持っている。 The principal ray O corresponding, have optical path deflecting action to further deflect in the same direction on. 前記主光線Ｏに対する透過型Ｈ Transmission H to the principal ray O
ＯＥ１７の偏向角及び透過型ＨＯＥ２０の偏向角は両方とも、透過型ＨＯＥ１７，２０で発生する収差を抑えるため、絶対値で４５度以下であることが好ましい。 Both deflection angle and the deflection angle of transmission HOE20 of OE17, for suppressing the aberration generated by a transmission HOE17,20, preferably not more than 45 degrees in absolute value. また、透過型ＨＯＥ１７，２０の両方又はいずれか一方は光学的パワーを有していなくてもよいが、両方とも光学的パワーを有していると、他にレンズ等を要することなく、両方の透過型ＨＯＥ１７，２０で光学的パワーを分担したり収差を補正したりすることも可能となって結像性能を高め易いとともに、光学設計の自由度が増して光学設計も容易となる。 Further, both or one of the transmission type HOE17,20 may have no optical power, but when both have optical power, without requiring the other lens, both with easy even become possible enhance imaging performance or to correct the aberration or share the optical power by a transmission HOE17,20, is facilitated optical design increases the degree of freedom of optical design.
【００９１】画像表示素子１２の表示部上の任意の点を通過した光（表示画像の光）は、板状部１５の眼１６と反対側の面１５ｂから当該面１５ｂに対して斜めに入射し当該面１５ｂで屈折して板状部１５内に入り、透過型ＨＯＥ１７，２０を順次透過して、透過型ＨＯＥ２０から外部へ射出される。 [0091] (Light of the display image) light passing through an arbitrary point on the display unit of the image display device 12 is incident from the opposite side of the surface 15b and the eye 16 of the plate-like portion 15 obliquely with respect to the surface 15b and enters the refracted and plate portion 15 in the surface 15b, are sequentially transmitted through a transmission HOE17,20, emitted from the transmission type HOE20 outside. このとき、この光は、透過型ＨＯ At this time, the light is transmissive HO
Ｅ１７，２０により順次光路偏向作用及び結像作用を受け、透過型ＨＯＥ２０から射出された光における、画像表示素子１２の同一箇所から出た光は、ほぼ平行な光束となって使用者の眼１６の瞳１６ａに入射する。 Sequentially receiving the optical path deflecting effect and image forming action by E17,20, transmission of light emitted from HOE20, light emitted from the same position of the image display device 12, the user almost parallel beam eye 16 incident on the pupil 16a.
【００９２】本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる他、前述したように、結像性能を高め易いとともに光学設計も容易となるという利点も得られる。 According to [0092] this embodiment, in addition to the same advantages as the first embodiment can be obtained, as described above, also the advantage that the optical design can be facilitated with easily enhance the imaging performance .
【００９３】ここで、第２の実施の形態の第１の具体例について、図２を参照して説明する。 [0093] Here, the first example of the second embodiment will be described with reference to FIG. この第１の具体例の設計に際し、設計プログラムとして、当該技術分野において著名な米国のOptical Research Associates製のc Upon design of this first embodiment, as a design program, a prominent US Optical Ltd. Research Associates in the art c
ode V（商品名）を用いた。 Using ode V (trade name). このとき、画像表示素子１ At this time, the image display device 1
２の表示部の中心Ｂ０中央から発して、使用者１６の瞳１６ａの中心を通過する光線の経路を、この光学装置全体の光軸と定義する。 Emanating from the center B0 center of the second display unit, the path of light rays passing through the center of the pupil 16a of the user 16, it is defined as the optical axis of the entire optical system. 本具体例では、光軸は１本の直線ではなく、互いに傾いた線分を連結した形状となっている。 In this specific example, the optical axis is not of a single straight line, has a shape formed by connecting line segments inclined to each other. これらの点は、後述する本実施の形態の第２の具体例及び後述する各実施の形態の具体例についても同様である。 These points are the same for a specific example of the second embodiment and the embodiments described later of the present embodiment described below.
【００９４】図２に示す第１の具体例の光学的な諸量は、下記の通りである。 [0094] Optical quantities of the first embodiment shown in FIG. 2 is as follows.
【００９５】射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。 [0095] diameter of the exit pupil P is 3mm. 図中紙面内上方向の視野角度は１２°である。 Viewing angle of the paper in the upward direction in the figure is 12 °. 図中紙面内下方向の視野角度は−１２°である。 Viewing angle of the paper in the downward direction in the figure is -12 °. 図中紙面内での画面サイズ（点Ｂ１と点Ｂ２との間の長さ）は１６ｍｍである。 (The length between the point B1 and the point B2) screen size in the figure in the plane is 16 mm. 板状部１５の厚さｄは４ｍｍである。 The thickness d of the plate portion 15 is 4 mm. したがって、射出瞳Ｐの図中紙面内の径（３ｍｍ）は、厚さｄ（４ｍｍ）の１／２より大きい。 Accordingly, the diameter of the drawing in the plane of the exit pupil P (3 mm) is greater than half the thickness d (4 mm). 板状部１５の屈折率は１．５である。 Refractive index of the plate portion 15 is 1.5. 使用波長は５３２ｎｍである。 Use wavelength is 532nm. 板状部１５の面１５ Surface 15 of the plate-like portion 15
ａは平面である。 a is a plan. 透過型ＨＯＥ２０を定義するための２ 2 for defining a transmission HOE20
個の参照光源１，２の位置については、光源１の位置が、Ｙ座標値 0.3×10 9 ; ＺＹ座標値 -915104328.946であり、光源２の位置が、Ｙ座標値 -3799.99602971; Ｚ The position of the number of reference sources 1 and 2, the position of the light source 1, Y coordinate value 0.3 × 10 9; a ZY coordinate values -915104328.946, the position of the light source 2, Y coordinate values -3799.99602971; Z
Ｙ座標値 11236.1754042である。 Y-coordinate value is 11,236.1754042. 透過型ＨＯＥ１７の面は、その中心が面１５ａからＺ軸に沿って２ｍｍ図２中の右側にありＹ軸と同じ方向から紙面上反時計周りに２ Surface of the transmissive HOE17 is 2 located on the right side in 2mm Figure 2 along the Z-axis from the same direction as the Y-axis from the center plane 15a around the paper dihedral Watch
０°回転した方向である平面である。 Is 0 ° is rotated plane. 透過型ＨＯＥ１７ Transmission type HOE17
を定義するための２個の参照光源１，２の位置については、光源１の位置が、Ｙ座標値0.3×10 9 ; ＺＹ座標値 The position of the two reference light sources 1 and 2 for defining the position of the light source 1, Y coordinate value 0.3 × 10 9; ZY coordinate values
-.915104×10 +09であり、光源２の位置が、Ｙ座標値 11 A -.915104 × 10 +09, the position of the light source 2, Y-coordinate value 11
130.7258778; ＺＹ座標値 -21007.9163589である。 130.7258778; a ZY coordinate values ​​-21007.9163589. 透過型ＨＯＥ１７の中心から面１５ｂまでの距離は、Ｚ軸に沿って測って２ｍｍである。 Distance from the center of the transmissive HOE17 to the surface 15b is a 2mm as measured along the Z-axis. 面１５ｂは平面であり、面１５ｂから画面表示素子１２の表示部の中心Ｂ０までの距離は３０ｍｍである。 Surface 15b is a plane, the distance from the surface 15b to the center B0 of the display portion of the screen display device 12 is 30 mm. 画像表示素子１２の表示部の面は面１５ｂに対して５２°反時計方向に傾いている。 The surface of the display unit of the image display element 12 is tilted to the 52 ° counterclockwise with respect to the surface 15b. ２ 2
つのＨＯＥは結像性能を最適にするために位相関数成分を持っている。 One of the HOE has a phase function component in order to optimize the imaging performance.
【００９６】ここで位相関数について説明すると、位相関数は、ＨＯＥ１７，２０の純粋な各２個の点光源により定義される以外の非球面的な位相変換量を定義するもので、光学設計プログラムcode Vにおいては、Ｘ，Ｙ軸成分の多項式係数などを用いて指定することができる。 [0096] Now will be described the phase function, the phase function, intended to define the aspheric phase amount of conversion than those defined by the pure two each point source HOE17,20, optical design program code in of V, it can be specified using X, and polynomial coefficients of the Y-axis component.
【００９７】第２の実施の形態の第１の具体例の光線追跡においても位相関数を使用しているが、その係数を提示することは省略する。 [0097] While using the phase function also in ray tracing of a first specific example of the second embodiment, to present the coefficients are omitted. しかしながら、ここでに提示している各構成面要素の配置及び傾き、媒質の屈折率、各ＨＯＥ１７，２０の各２個の点光源位置を用いれば、画像表示素子１２の位置、表示画像サイズ、観察時の視野角度範囲などの値を適宜変更した場合でも、設計プログラムcode Vの自動設計機能を用いることで容易に最適な位相関数値を決定できる。 However, arrangement and inclination of the component surface elements that are presented here, the refractive index of the medium, the use of the two point light sources the position of each HOE17,20, the position of the image display device 12, a display image size, even if the values ​​such as at the time of observation viewing angle range was appropriately changed, it can be determined easily optimal phase function value by using the automatic design feature of a design program code V.
【００９８】この第２の実施の形態の第１の具体例の光学系の結像性能を表すためのスポットダイアグラムを、 [0098] The spot diagrams for representing the imaging performance of the optical system of the first embodiment of this second embodiment,
図３に示す。 It is shown in Figure 3. このスポットダイアグラムは、画像表示素子１２からの光が進む向きとは逆向きに、射出瞳Ｐの面から平行光束を入れたときに、画像表示素子１２の表示部の面上でどれだけ一点に集まるかを示すものである。 The spot diagram is the opposite to the light travels orientation from the image display element 12, when placed parallel beam from the surface of the exit pupil P, how much one point on the surface of the display unit of the image display device 12 it is intended to indicate whether gather.
図３の横軸は、フォーカス位置に対応する。 The horizontal axis of FIG. 3, corresponds to the focus position. 図３の枠内右下に表示している線分は、スポット径の大きさを判断するための参照用のもので、画像表示素子１２の表示部の面上の０．０１ｍｍの長さを表す。 Segment is displayed in a frame in the lower right of Figure 3, the spot diameter size but for reference to determine the length of 0.01mm on the face of the display unit of the image display device 12 represent. 図３の縦軸の数値は、対応するスポットの図２の上下方向の画角を度数表示したもの（平行光束をＺ軸方向に対して図２の上下方向に傾けた角度）である。 It figures vertical axis of FIG. 3 is a that a vertical angle of view of the corresponding spot 2 displays degrees (an angle inclined to the vertical direction in FIG. 2 the parallel light beam to the Z-axis direction). 図３中の各点は、射出瞳Ｐの面に入射させた平行光束のうちの１つの角度の光束が、 Each point in FIG. 3, the light flux of one angle of the parallel beam is incident on the surface of the exit pupil P is,
画像表示素子１２の表示部の面上に到達した位置を示している。 It shows the position reached on the surface of the display unit of the image display device 12. これらの点は、後述する図６、図９及び図１２ These points will be described later 6, 9 and 12
【００９９】図３に示すようにスポットの集中度が高いことから、第２の実施の形態の第１の具体例では、収差が少なく、結像性能が優れていることがわかる。 [0099] Because of the high degree of concentration of spots as shown in FIG. 3, in the first specific example of the second embodiment, it is understood that the aberration is reduced, imaging performance is superior.
【０１００】次に、第２の実施の形態の第２の具体例について、図４を参照して説明する。 [0100] Next, a second specific example of the second embodiment will be described with reference to FIG. 図４に示す第２の具体例が図２に示す具体例と異なる所は、画像表示素子１ The second embodiment shown in FIG. 4 differs from the embodiment shown in FIG. 2, the image display device 1
２の図中紙面内での画面サイズを７．９４ｍｍ、図中紙面内上方向の視野角度を１２°、図中紙面内下方向の視野角度を０°に変更するとともに、位相関数を変更した点のみであり、これらの点以外は図２に示す具体例と同じ構成である。 The screen size in 2 in the Diagram paper 7.94 mm, viewing angle 12 ° of the paper in the direction of the figure, along with changing the viewing angle of the paper in the downward direction in the figure to 0 °, and changing the phase function point is only, other than these points is the same configuration as the embodiment shown in FIG.
【０１０１】図４に示す具体例は、画像表示素子１２のサイズを図２に示す具体例に比べて小さくして、使用者が外界を観察する際に、画像表示素子１２が妨げとなり難いように構成した例である。 [0102] embodiment shown in FIG. 4, the size of the image display element 12 and smaller than the specific example shown in FIG. 2, when the user observes the outside world, as the image display element 12 is unlikely to become obstructed it is an example that you have configured.
【０１０２】なお、図２及び図４に示す本実施の形態において、板状部１５の面１５ｂにおける、画像表示素子１２からの光が入射する領域にも、光路偏向特性を有する透過型ＨＯＥを設けて、画像表示素子１２からの光が面１５ｂへ入射する角度を適宜変更し、画像表示素子１ [0102] In the present embodiment shown in FIGS. 2 and 4, in the plane 15b of the plate-like portion 15, even in a region where light is incident from the image display device 12, a transmission type HOE having an optical path deflection characteristic provided, light from the image display device 12 appropriately changing the angle of incidence to the surface 15b, the image display device 1
２が更に妨げとなり難いように構成してもよい。 2 may be configured to hardly becomes more disturbed.
【０１０３】［第３の実施の形態］ [0103] [Third Embodiment]
【０１０４】図５は、本発明の第３の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線（画像表示素子１２からの光線のみ）の経路を示す図である。 [0104] Figure 5 is a diagram showing (only the light rays from the image display device 12) third configuration and the ray of an embodiment of an image display apparatus according to the present invention.
【０１０５】図５において、図１、図２及び図４中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。 [0105] In FIG. 5, FIG. 1, the same reference numerals are given to components identical or corresponding to those of FIG. 2 and in FIG. 4, a redundant description will be omitted. なお、図５において、光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は省略している。 Incidentally, in FIG. 5, LED 13 and the reflector 14 constitute the light source is omitted. また、図５において、イメージコンバイナ１１の射出瞳Ｐ Further, in FIG. 5, the exit pupil P of the image combiner 11
の位置にほぼ一致して置かれる使用者の眼１６及びその瞳１６ａも、省略している。 Also substantially coincides with the user's eye 16 and the pupil 16a to be placed in the position of, are omitted.
【０１０６】本実施の形態が前記第２の実施の形態と基本的に異なる所は、図５に示すように、板状部１５の図中紙面内上方に画像表示素子１２が配置され、板状部１ [0106] This embodiment is the second embodiment and the fundamentally different place, as shown in FIG. 5, the image display element 12 is arranged in the drawing sheet surface in the upper plate portion 15, the plate Jo section 1
５の上部に曲面１５ｃが形成され、画像表示素子１２からの光が以下に説明するように進行する点である。 5 is an upper curved surface 15c is formed, light from the image display element 12 is that it proceeds as described below.
【０１０７】本実施の形態では、画像表示素子１２の表示部上の任意の点を通過した光（表示画像の光）は、板状部１５の上部の曲面１５ｃから板状部１５内に入射して、板状部１５の眼１６の側の面１５ａに臨界角より大きい入射角で入射し、面１５ａの内側で全反射される。 [0107] In this embodiment, light passing through an arbitrary point on the display unit of the image display element 12 (light in the display image) is incident from the top of the curved surface 15c of the plate portion 15 in the plate-like portion 15 to, incident at the critical angle of incidence larger than the angle on the surface 15a side of the eye 16 of the plate portion 15, is totally reflected by the inner surface 15a.
この光は、板状部１５の眼１６と反対側の面１５ｂに臨界角より大きい入射角で入射し、面１５ｂの内側で全反射される。 This light is incident at the critical angle of incidence larger than the angle on the surface 15b opposite to the eye 16 of the plate-like portion 15 is totally reflected by the inner surface 15b. その後、透過型ＨＯＥ１７，２０を順次透過して、透過型ＨＯＥ２０から外部へ射出される。 Thereafter, a transmission HOE17,20 sequentially transmitted, emitted from the transmission type HOE20 outside. このとき、この光は、透過型ＨＯＥ１７，２０により順次光路偏向作用及び結像作用を受け、透過型ＨＯＥ２０から射出された光における、画像表示素子１２の同一箇所から出た光は、ほぼ平行な光束となって使用者の眼１６の瞳１６ａに入射する。 At this time, the light is sequentially subjected to the optical path deflecting effect and image forming action by transmission HOE17,20, in the light emitted from the transmission type HOE20, light emitted from the same position of the image display element 12 is substantially parallel a light beam is incident on the pupil 16a of the user's eye 16.
【０１０８】本実施の形態によれば、前記第２の実施の形態と同様の利点が得られる。 According to [0108] this embodiment, the same advantages as the second embodiment can be obtained. また、本実施の形態によれば、画像表示装置全体をより小型化することができる。 Further, according to this embodiment, it is possible to further reduce the size of the entire image display device.
【０１０９】ここで、本実施の形態の具体例について、 [0109] Here, a specific example of this embodiment,
図５を参照して説明する。 It will be described with reference to FIG. この具体例の光学的な諸量は、下記の通りである。 Optical quantities of this embodiment is as follows.
【０１１０】射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。 [0110] diameter of the exit pupil P is 3mm. 図中紙面内上方向の視野角度は７°である。 Viewing angle of the paper in the upward direction in the drawing is 7 °. 図中紙面内下方向の視野角度は−７°である。 Viewing angle of the paper in the downward direction in the figure is -7 °. 図中紙面内での画面サイズ（点Ｂ１と点Ｂ２との間の長さ）は５．８ｍｍである。 (The length between the point B1 and the point B2) screen size in the figure in the paper is 5.8 mm. 板状部１５の厚さｄは３．５ｍｍである。 The thickness d of the plate portion 15 is 3.5 mm. したがって、射出瞳Ｐの図中紙面内の径（３ｍｍ）は、厚さｄ（３．５ｍ Accordingly, the diameter of the drawing in the plane of the exit pupil P (3 mm), the thickness d (3.5 m
ｍ）の１／２より大きい。 Greater than 1/2 of m). 使用波長は５３２ｎｍである。 Use wavelength is 532nm.
【０１１１】また、この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表１及び表２に提示する。 [0111] Moreover, the various quantities used for ray tracing in this embodiment, is presented in Table 1 and Table 2 below. 光学面の順序（面番号の順序）は使用者の眼１６の瞳１６ａの面（＝イメージコンバイナ１１の射出瞳Ｐの面）から画像表示素子１２への順である。 The order of the optical surface (the order of the surface number) in the order from the surface of the pupil 16a of the user's eye 16 (= plane of the exit pupil P of the image combiner 11) to the image display device 12. なお、表１及び表２において、各面番号に対応する図５中の参照符号を括弧書きの「符号」 In Table 1 and Table 2, the reference numerals in FIG. 5 which corresponds to each surface number parentheses "sign"
として示している。 It is shown as.
【０１１４】表１及び表２で用いた位相関数の定義は、 [0114] The definition of the phase function used in Table 1 and Table 2,
ＨＯＥ１７，２０をＸＹ座標面上の位置と指定した点に入射する光線の受ける光路差を、使用する波長で規格化した値で表すもので、ｍ，ｎを整数とするとき、一般形の下記の数１で表される多項式の係数を指定することで決められる。 The optical path difference for receiving the light rays entering the HOE17,20 the point and the specified position on the XY coordinate plane, which represents the value normalized by the wavelength used, when m, n is an integer, the following general form determined by specifying the coefficients of the polynomial represented by Equation 1. ただし、この係数は６５個まで指定可能であって、順にＣ１，Ｃ２，Ｃ３，・・・，Ｃ６５と呼び、係数の順番をｊという整数で表すときに、Ｘ座標及びＹ座標の次数を示す整数ｍ，ｎとの間に下記の数２という関係が成り立つように対応付ける。 However, even in this coefficient can specify up to 65, in order C1, C2, C3, · · ·, referred to as C65, the order of coefficients to represent an integer of j, indicating the order of X-coordinate and Y-coordinate integer m, associated so that the relationship that the number 2 below is established between the n. すなわち、本例では、位相関数は、下記の数３の多項式で定義されている。 That is, in this example, the phase function is defined by the number 3 in the polynomial below. このような位相関数の定義は、後述する表４、表７ Definition of such a phase function, Table 4 to be described later, Table 7
及び表８についても同様である。 And The same applies to Table 8.
【０１１８】また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図５中の符号Ｐ）の中心を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計周りを正として測った値）を、下記の表３に示す。 [0118] Further, as the positional relationship of each optical surface in this embodiment, the center of the first surface (reference numeral P in the surface numbers 1 = 5) origin (X, Y, Z) = (0,0,0 ) and the rotation amount around the absolute position and the X-axis of the center of each optical surface and the (value measured with the counterclockwise as positive), shown in Table 3 below.
【０１２０】さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すためのスポットダイアグラムを、図６に示す。 [0120] Further, spot diagrams for representing the imaging performance of the optical system of this example, shown in FIG. 図６に示すようにスポットの集中度が高いことから、本具体例においても、収差が少なく、結像性能が優れていることがわかる。 Because of the high degree of concentration of spots as shown in FIG. 6, also in this embodiment, aberration is small, it can be seen that the imaging performance is superior.
【０１２１】［第４の実施の形態］ [0121] [Fourth Embodiment]
【０１２２】図７は、本発明の第４の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線（画像表示素子１２からの光線のみ）の経路を示す図である。 [0122] Figure 7 is a diagram showing (only the light rays from the image display device 12) a fourth configuration and the ray of the image display apparatus according to an embodiment of the present invention. 図８は、図７中のエアギャップ層３０の作用を示す説明図である。 Figure 8 is an explanatory view showing an operation of the air gap layer 30 in FIG.
【０１２３】図７及び図８において、図１、図２及び図４中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。 [0123] In FIGS. 7 and 8, FIG. 1, the same reference numerals are given to components identical or corresponding to those in FIGS. 2 and 4, duplicate explanation is omitted. なお、図７において、光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は省略している。 Incidentally, in FIG. 7, LED 13 and the reflector constituting the light source 14 are omitted. また、図７において、イメージコンバイナ１１ Further, in FIG. 7, the image combiner 11
の射出瞳Ｐの位置にほぼ一致して置かれる使用者の眼１ Eye 1 of the exit pupil in substantial conformance with the user to be placed in the position of the P
６及びその瞳１６ａも、省略している。 6 and the pupil 16a are also omitted.
【０１２４】本実施の形態が前記第２の実施の形態と基本的に異なる所は、図７及び図８に示すように、板状部１５の図中紙面内上方に画像表示素子１２が配置され、 [0124] This embodiment is the second embodiment and the fundamentally different place, as shown in FIGS. 7 and 8, the image display element 12 is arranged in the drawing sheet surface in the upper plate portion 15 It is,
板状部１５の上部にアナモルフィック非球面１５ｄが形成され、透過型ＨＯＥ１７に代えて、エアギャップ層３ Anamorphic aspherical 15d on top of the plate-like portion 15 is formed, instead of the transmission type HOE17, air gap layers 3
０が透過型ＨＯＥ２０の付近において板状部１５の内部に設けられ、画像表示素子１２からの光が以下に説明するように進行する点である。 0 is provided in the interior of the plate-like portion 15 in the vicinity of the transmissive HOE20, light from the image display element 12 is that it proceeds as described below. 本実施の形態では、エアギャップ層３０は、図７及び図８に示すように、面１５ In this embodiment, the air gap layer 30, as shown in FIGS. 7 and 8, the surface 15
ａ，１５ｂに対して時計方向に所定角度傾けられている。 a, it is inclined a predetermined angle in the clockwise direction with respect to 15b. エアギャップ層３０の厚さは数十ミクロン程度とされている。 The thickness of the air gap layer 30 is about several tens of microns.
【０１２５】本実施の形態では、画像表示素子１２の表示部上の任意の点を通過した光（表示画像の光）は、板状部１５の上部のアナモルフィック非球面１５ｄから板状部１５内に入射して、板状部１５の眼１６の側の面１ [0125] In this embodiment, light passing through an arbitrary point on the display unit of the image display element 12 (light in the display image), the plate-like portion from the upper portion of the anamorphic aspherical surface 15d of the plate-like portion 15 and enters the 15, the surface on the side of the eye 16 of the plate-like portion 15 1
５ａに臨界角より大きい入射角で入射し、面１５ａの内側で全反射される。 Incident at greater than the critical angle of incidence angle 5a, is totally reflected by the inner surface 15a. この光は、板状部１５の眼１６と反対側の面１５ｂに臨界角より大きい入射角で入射し、面１５ｂの内側で全反射される。 This light is incident at the critical angle of incidence larger than the angle on the surface 15b opposite to the eye 16 of the plate-like portion 15 is totally reflected by the inner surface 15b. 面１５ｂで全反射された光は、再び、面１５ａに臨界角より大きい入射角で入射し、面１５ａの内側で全反射される。 Light totally reflected by the surface 15b is again incident at the critical angle of incidence larger than the angle on the surface 15a, is totally reflected by the inner surface 15a. 次いで、この光は、エアギャップ層３０の眼１６側の面３０ａ（図８参照）に臨界角より大きい入射角で入射し、面３０ａの内側で全反射される。 Then, this light is incident at the critical angle of incidence larger than the angle on the surface 30a of the eye 16 side of the air gap layer 30 (see FIG. 8), it is totally reflected by the inner surface 30a. その後、この光は、透過型ＨＯＥ２ Thereafter, the light is transmissive HOE2
０を透過して、透過型ＨＯＥ２０から外部へ射出される。 0 is transmitted through the to be emitted from the transmission type HOE20 outside. このとき、この光は、透過型ＨＯＥ２０により光路偏向作用及び結像作用を受け、透過型ＨＯＥ２０から射出された光における、画像表示素子１２の同一箇所から出た光は、ほぼ平行な光束となって使用者の眼１６の瞳１６ａに入射する。 At this time, the light is subjected to optical path deflecting effect and image forming action by transmission HOE20, in the light emitted from the transmission type HOE20, light emitted from the same position of the image display element 12, a substantially parallel beam Te incident on the pupil 16a of the user's eye 16.
【０１２６】なお、図８に示すように、外界からの光は、エアギャップ層３０を通過することによりわずかに位置がシフトするが、その進行方向は変えられない。 [0126] Incidentally, as shown in FIG. 8, the light from the outside is shifted slightly position by passing through the air gap layer 30, the traveling direction can not be changed.
【０１２７】本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。 According to [0127] this embodiment, the same advantages as the first embodiment can be obtained. また、本実施の形態によれば、画像表示装置全体をより小型化することができる。 Further, according to this embodiment, it is possible to further reduce the size of the entire image display device. さらに、透過型ＨＯＥ２０を面１５ａに配置しても、エアギャップ層３０によって透過型ＨＯＥ２０に入射する角度は臨界角より小さくすることができ、画像表示素子１２からの光を効率良く透過させることができる。 Furthermore, even if the transmission type HOE20 disposed on the surface 15a, the angle of incident on the transmission type HOE20 by an air gap layer 30 may be smaller than the critical angle, the light from the image display element 12 can be efficiently transmitted it can.
【０１２８】なお、エアギャップ層３０に代わりに、光強度の一部分を透過させる反射膜（ハーフミラー）を用いてもよい。 [0128] Instead the air gap layer 30, the reflective film (half mirror) that transmits a portion of the light intensity may be used. ただし、この場合には、エアギャップ層３ However, in this case, the air gap layer 3
０を使う場合と比べて、画像表示素子１２からの光も外界からの光も共に、使用できる光量は少ないものとなる。 Than when using 0, both also light from the light also outside from the image display element 12, becomes the light quantity that can be used is small.
【０１２９】本実施の形態によれば、前記第２の実施の形態と同様の利点が得られる。 According to [0129] this embodiment, the same advantages as the second embodiment can be obtained. また、本実施の形態によれば、画像表示装置全体をより小型化することができる。 Further, according to this embodiment, it is possible to further reduce the size of the entire image display device.
【０１３０】ここで、本実施の形態の具体例について、 [0130] Here, a specific example of this embodiment,
図７を参照して説明する。 It will be described with reference to FIG. この具体例の光学的な諸量は、下記の通りである。 Optical quantities of this embodiment is as follows.
【０１３１】射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。 [0131] diameter of the exit pupil P is 3mm. 図中紙面内上方向の視野角度は−２°である。 Viewing angle of the paper in the upward direction in the drawing is -2 °. 図中紙面内下方向の視野角度は−１０°である。 Viewing angle of the paper in the downward direction in the figure is -10 °. 図中紙面内での画面サイズ（点Ｂ１と点Ｂ２との間の長さ）は６．５９ｍｍである。 (The length between the point B1 and the point B2) screen size in the figure in the drawing sheet is 6.59Mm. 板状部１５の厚さｄは３ｍｍである。 The thickness d of the plate-like portion 15 is 3 mm. したがって、 Therefore,
射出瞳Ｐの図中紙面内の径（３ｍｍ）は、厚さｄ（３ｍ Diameter in the drawing in the plane of the exit pupil P (3 mm), the thickness d (3m
【０１３２】また、この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表４及び表５に提示する。 [0132] Moreover, the various quantities used for ray tracing in this embodiment, is presented in Table 4 and Table 5 below. 光学面の順序（面番号の順序）は使用者の眼１６の瞳１６ａの面（＝イメージコンバイナ１１の射出瞳Ｐの面）から画像表示素子１２への順である。 The order of the optical surface (the order of the surface number) in the order from the surface of the pupil 16a of the user's eye 16 (= plane of the exit pupil P of the image combiner 11) to the image display device 12. なお、表４及び表５において、各面番号に対応する図７中の参照符号を括弧書きの「符号」 In Table 4 and Table 5, the reference numerals in FIG. 7 corresponding to each surface number parentheses "sign"
【０１３５】ここで用いたアナモルフィック非球面１５ [0135] anamorphic non-spherical surface 15 used here
ｄの定義は、曲面１５ｄの光軸をＺ座標軸としたときの曲面１５ｄ上の点（ｘ，ｙ）でのＺ軸座標値、すなわちサグ量を下記の数４で示すように表すことで定義する。 d definitions defined by indicating a point on the curved surface 15d when the optical axis of the curved surface 15d and the Z coordinate axis (x, y) Z-axis coordinate value at, i.e. the amount of sag as indicated by the number 4 below to.
【０１３７】数４において、CUXはＸ軸方向の曲率半径、CUYはＹ軸方向の曲率半径、KXはＸ軸方向の円錐定数、KYはＹ軸方向の円錐定数、ARはＺ軸の周りに回転対称な４次の非球面係数、BRはＺ軸の周りに回転対称な６ [0137] In Equation 4, CUX is the radius of curvature of the X-axis direction, CUY is the radius of curvature of the Y-axis direction, KX is the conic constant of the X-axis direction, KY the conic constant of the Y-axis direction, AR Around the Z axis rotationally symmetrical fourth order aspheric coefficient, BR is rotationally symmetric about the Z axis 6
次の非球面係数、CRはＺ軸の周りに回転対称な８次の非球面係数、DRはＺ軸の周りに回転対称な１０次の非球面係数、APは回転非対称な４次の非球面係数、BPは回転非対称な６次の非球面係数、CPは回転非対称な８次の非球面係数、DPは回転非対称な１０次の非球面係数である。 The following aspheric coefficients, CR is rotationally symmetrical 8-order aspherical coefficients around the Z axis, DR is rotationally symmetrical 10-order aspherical coefficients around the Z axis, AP is rotationally asymmetric fourth order aspheric factor, BP is rotationally asymmetric sixth order aspheric coefficient, CP is rotationally asymmetric 8th order aspherical coefficient, DP is a rotationally asymmetrical 10-order aspherical coefficients.
【０１３８】また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図７中の符号Ｐ）の中心を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計周りを正として測った値）を、下記の表６に示す。 [0138] Further, as the positional relationship of each optical surface in this embodiment, the center of the first surface (reference numeral P in the surface numbers 1 = 7) origin (X, Y, Z) = (0,0,0 ) and the rotation amount around the absolute position and the X-axis of the center of each optical surface and the (value measured with the counterclockwise as positive), shown in Table 6 below.
【０１４０】さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すためのスポットダイアグラムを、図９に示す。 [0140] Further, spot diagrams for representing the imaging performance of the optical system of this example is shown in FIG. 図９に示すようにスポットの集中度が高いことから、本具体例においても、収差が少なく、結像性能が優れていることがわかる。 Because of the high degree of concentration of spots as shown in FIG. 9, in this embodiment, it is understood that the aberration is reduced, imaging performance is superior.
【０１４１】［第５の実施の形態］ [0141] [Fifth Embodiment]
【０１４２】図１０は、本発明の第５の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線（画像表示素子１２ [0142] Figure 10 is a configuration and the ray (the image display device of the image display apparatus according to a fifth embodiment of the present invention 12
【０１４３】図１０において、図１、図２及び図４中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。 [0143] In FIG. 10, FIG. 1, the same reference numerals are given to components identical or corresponding to those of FIG. 2 and in FIG. 4, a redundant description will be omitted. なお、図１０において、光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は省略している。 Incidentally, in FIG. 10, LED 13 and the reflector 14 constitute the light source is omitted.
また、図１０において、イメージコンバイナ１１の射出瞳Ｐの位置にほぼ一致して置かれる使用者の眼１６及びその瞳１６ａも、省略している。 Further, in FIG. 10, in substantial conformance with the user's eye 16 and the pupil 16a to be placed in the position of the exit pupil P of the image combiner 11 is also omitted.
【０１４４】本実施の形態が前述した第２の実施の形態と基本的に異なる所は、図１０に示すように、板状部１ [0144] This embodiment is the second embodiment described above forms basically the difference from, as shown in FIG. 10, the plate-like portion 1
５の図中紙面内上方において板状部１５の内部に反射面（ミラー）４０が設けられ、画像表示素子１２からの光が以下に説明するように進行する点である。 5 internal reflection surface of the plate portion 15 on the paper in the upward in the drawing (mirror) 40 is provided in the light from the image display element 12 is that it proceeds as described below. 反射面４０ The reflective surface 40
は、図１０に示すように、面１５ａ，１５ｂに対して時計方向に所定角度傾けられ、画像表示素子１２が、板状部１５の外側に、板状部１５の面１５ｂに対してほぼ平行な向きで配置されている。 As shown in FIG. 10, the surface 15a, is inclined at a predetermined angle in the clockwise direction with respect to 15b, the image display device 12, on the outside of the plate-like portion 15, substantially parallel to the plane 15b of the plate-like portion 15 It is arranged in such orientation. なお、反射面４０より図１ Incidentally, FIG. 1 from the reflective surface 40
０中の斜め上側の板状部１５の部分は、画像表示素子１ Portion of the oblique upper plate portion 15 in 0, the image display device 1
２からの光が通過しないので、カットしておいてもよい。 Since the light from the 2 does not pass through, it may have been cut. この場合、反射面４０は板状部１５の表面に設けられることになる。 In this case, the reflecting surface 40 will be provided on the surface of the plate-like portion 15.
【０１４５】本実施の形態では、画像表示素子１２の表示部上の任意の点を通過した光（表示画像の光）は、板状部１５の眼１６と反対側の面１５ｂに対しておおよそ垂直に入射し当該面１５ｂで屈折して板状部１５内に入り、反射面４０で反射される。 [0145] In this embodiment, light passing through an arbitrary point on the display unit of the image display element 12 (light in the display image) is roughly relative to the opposite surface 15b and the eye 16 of the plate portion 15 incident vertically refracted in the surface 15b enters the plate-like portion 15, is reflected by the reflecting surface 40. この光は、板状部１５の眼１６と反対側の面１５ｂに臨界角より大きい入射角で入射し、面１５ｂの内側で全反射される。 This light is incident at the critical angle of incidence larger than the angle on the surface 15b opposite to the eye 16 of the plate-like portion 15 is totally reflected by the inner surface 15b. その後、この光は、透過型ＨＯＥ１７，２０を順次透過して、透過型ＨＯＥ２０から外部へ射出される。 Thereafter, this light, a transmission type HOE17,20 sequentially transmitted, emitted from the transmission type HOE20 outside. このとき、この光は、透過型ＨＯＥ１７，２０により順次光路偏向作用及び結像作用を受け、透過型ＨＯＥ２０から射出された光における、画像表示素子１２の同一箇所から出た光は、 At this time, the light is sequentially subjected to the optical path deflecting effect and image forming action by transmission HOE17,20, in the light emitted from the transmission type HOE20, light emitted from the same position of the image display element 12,
ほぼ平行な光束となって使用者の眼１６の瞳１６ａに入射する。 It enters the eyes 16a of the user's eye 16 becomes substantially parallel beam.
【０１４６】本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。 According to [0146] this embodiment, the same advantages as the first embodiment can be obtained. また、反射面４０の向きや位置を調整することで、画像表示素子１２が使用者の視野外に配置できるようになる。 Further, by adjusting the orientation and position of the reflecting surface 40, the image display element 12 comes to be positioned outside the field of view of the user.
【０１４７】ここで、本実施の形態の具体例について、 [0147] Here, a specific example of this embodiment,
図１２を参照して説明する。 Referring to FIG. 12 will be described. この具体例の光学的な諸量は、下記の通りである。 Optical quantities of this embodiment is as follows.
【０１４８】射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。 [0148] diameter of the exit pupil P is 3mm. 図中紙面内上方向の視野角度は５°である。 Viewing angle of the paper in the upward direction in the figure is 5 °. 図中紙面内下方向の視野角度は−５°である。 Viewing angle of the paper in the downward direction in the drawing is -5 °. 図中紙面内での画面サイズ（点Ｂ１と点Ｂ２との間の長さ）は６．５９ｍｍである。 (The length between the point B1 and the point B2) screen size in the figure in the drawing sheet is 6.59Mm. 板状部１５の厚さｄは３.５ｍｍである。 The thickness d of the plate portion 15 is 3.5 mm. したがって、射出瞳Ｐの図中紙面内の径（３ｍｍ）は、厚さｄ（３．５ Accordingly, the diameter of the drawing in the plane of the exit pupil P (3 mm), the thickness d (3.5
ｍｍ）の１／２より大きい。 Greater than 1/2 of mm). 使用波長は５３２ｎｍである。 Use wavelength is 532nm.
【０１４９】また、この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表７及び表８に提示する。 [0149] Moreover, the various quantities used for ray tracing in this embodiment, is presented in Table 7 and Table 8 below. 光学面の順序（面番号の順序）は使用者の眼１６の瞳１６ａの面（＝イメージコンバイナ１１の射出瞳Ｐの面）から画像表示素子１２への順である。 The order of the optical surface (the order of the surface number) in the order from the surface of the pupil 16a of the user's eye 16 (= plane of the exit pupil P of the image combiner 11) to the image display device 12. なお、表７及び表８において、各面番号に対応する図１０中の参照符号を括弧書きの「符号」として示している。 In Table 7 and Table 8 shows the reference numerals in FIG. 10 corresponding to each surface number as "code" in the parentheses.
【０１５２】また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図１０中の符号Ｐ）の中心を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計周りを正として測った値）を、下記の表９に示す。 [0152] Further, as the positional relationship of each optical surface in this embodiment, the center of the first surface (reference numeral P in the surface numbers 1 = 10) origin (X, Y, Z) = (0,0,0 ) and the rotation amount around the absolute position and the X-axis of the center of each optical surface and the (value measured with the counterclockwise as positive), shown in Table 9 below.
【０１５４】さらに、本具体例の光学系の結像性能を表すためのスポットダイアグラムを、図１１に示す。 [0154] Further, spot diagrams for representing the imaging performance of the optical system of this example, shown in FIG. 11. 図１ Figure 1
１に示すようにスポットの集中度が高いことから、本具体例においても、収差が少なく、結像性能が優れていることがわかる。 Because of the high degree of concentration of spots as shown in 1, also in this embodiment, it is understood that the aberration is reduced, imaging performance is superior.
【０１５５】［第６の実施の形態］ [0155] [Sixth Embodiment]
【０１５６】図１２は、本発明の第６の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線（画像表示素子１２ [0156] Figure 12 is a configuration and the ray (the image display device of the image display apparatus according to a sixth embodiment of the present invention 12
【０１５７】図１２において、図１、図２及び図７中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。 [0157] In FIG. 12, FIG. 1, the same reference numerals are given to components identical or corresponding to those in FIGS. 2 and 7, a redundant description will be omitted. なお、図１２において、光源を構成するＬＥＤ１３及び反射鏡１４は省略している。 Incidentally, in FIG. 12, LED 13 and the reflector 14 constitute the light source is omitted.
また、図１２において、イメージコンバイナ１１の射出瞳Ｐの位置にほぼ一致して置かれる使用者の眼１６及びその瞳１６ａも、省略している。 Further, in FIG. 12, in substantial conformance with the user's eye 16 and the pupil 16a to be placed in the position of the exit pupil P of the image combiner 11 is also omitted.
【０１５８】本実施の形態が前述した図７に示す第４の実施の形態と基本的に異なる所は、図１２に示すように、板状部１５の上部に平面１５ｅが形成され、透過型ＨＯＥ２０の付近において板状部１５の内部に設けられたエアギャップ層３０が、面１５ａ，１５ｂに対して反時計方向に所定角度傾けられ、エアギャップ層３０で反射した画像表示素子１２からの光が面１５ｂに到達する位置にハーフミラー５０が設けられ、画像表示素子１２ [0158] This embodiment is the fourth embodiment shown in FIG. 7 described above forms basically the difference from, as shown in FIG. 12, the plane 15e is formed in an upper portion of the plate-like portion 15, the transmission type air gap layer 30 provided inside the plate-like portion 15 in the vicinity of HOE20 a face 15a, is inclined at a predetermined angle in the counterclockwise direction with respect to 15b, the light from the image display element 12 that is reflected by the air gap layer 30 There half mirror 50 is provided at a position that reaches the surface 15b, the image display device 12
からの光が以下に説明するように進行する点である。 Light from is that it proceeds as described below. ハーフミラー５０は、例えば、面１５ｂに、画像表示素子からの光に対する反射率を高めるためのアルミニウム等の増反射膜を形成することによって、構成することができる。 Half mirror 50 is, for example, on the surface 15b, by forming the reflection enhancing film such as aluminum to increase the reflectivity for the light from the image display device can be configured. ハーフミラー５０の反射率は１００％より低くしてあるため、外界から使用者の眼１６の瞳１６ａへ向かう光の一部を透過させる。 The reflectance of the half mirror 50 are lower than 100%, and transmits a portion of light directed from the outside to the pupil 16a of the user's eye 16. なお、エアギャップ層３０の厚さは、例えば、１０μｍ程度とされる。 The thickness of the air gap layer 30 is, for example, about 10 [mu] m.
【０１５９】本実施の形態では、画像表示素子１２の表示部上の任意の点を通過した光（表示画像の光）は、板状部１５の図中紙面内の上部の平面１５ｅに対しておおよそ垂直に入射し当該面１５ｅで屈折して板状部１５内に入り、エアギャップ層３０の面に臨界角より大きい入射角で入射し、当該面で全反射される。 [0159] In this embodiment, light passing through an arbitrary point on the display unit of the image display element 12 (light in the display image), to the upper plane 15e in the drawing in the plane of the plate-like portion 15 It enters the plate-like portion 15 is refracted at approximately perpendicularly incident on the surface 15e, incident at the critical angle of incidence larger than the angle to the plane of the air gap layer 30 is totally reflected in the surface. その後、この光は、ハーフミラー５０で反射され、エアギャップ層３０ Thereafter, the light is reflected by the half mirror 50, an air gap layer 30
へ再び入射する。 Again incident to. このときのエアギャップ層３０への入射角は臨界角より小さくなる。 The incident angle to the air gap layer 30 at this time becomes smaller than the critical angle. このため、ハーフミラー５０で反射された光は、エアギャップ層３０を透過し、 Therefore, the light reflected by the half mirror 50 is transmitted through the air gap layer 30,
更に透過型ＨＯＥ２０を透過して、透過型ＨＯＥ２０から外部へ射出される。 Further transmitted through the transmission type HOE20, emitted from the transmission type HOE20 outside. このとき、この光は、透過型ＨＯ At this time, the light is transmissive HO
Ｅ２０により光路偏向作用及び結像作用を受け、透過型ＨＯＥ２０から射出された光における、画像表示素子１ In the light receiving optical path deflecting action and imaging action, which is emitted from the transmission type HOE20 by E20, the image display device 1
【０１６０】本実施の形態によれば、前記第５の実施の形態と同様の利点が得られる。 According to [0160] this embodiment, the same advantages as the embodiment of the fifth is obtained. なお、ハーフミラー５０ In addition, a half mirror 50
の代わりに、反射型ＨＯＥを設けてもよい。 Instead of, or it may be a reflective type HOE.
【０１６１】ここで、本実施の形態の具体例について、 [0161] Here, a specific example of this embodiment,
【０１６２】射出瞳Ｐの径は３ｍｍである。 [0162] diameter of the exit pupil P is 3mm. 図中紙面内上方向の視野角度は６°である。 Viewing angle of the paper in the upward direction in the figure is 6 °. 図中紙面内下方向の視野角度は−５°である。 Viewing angle of the paper in the downward direction in the drawing is -5 °. 紙面上での画面サイズ（点Ｂ１ Screen size on the paper (point B1
と点Ｂ２との間の長さ）は２．６ｍｍである。 And the length between the point B2) is 2.6 mm. 板状部１ Plate-shaped portion 1
５の厚さｄは３．５ｍｍである。 The thickness d of 5 is 3.5mm. したがって、射出瞳Ｐ Therefore, the exit pupil P
の図中紙面内の径（３ｍｍ）は、厚さｄ（３．５ｍｍ） Diameter in the Diagram paper (3 mm), the thickness d (3.5 mm)
の１／２より大きい。 Greater than 1/2 of. 使用波長は５３２ｎｍである。 Use wavelength is 532nm.
【０１６３】また、この具体例の光線追跡のための諸量を、下記の表１０に提示する。 [0163] Moreover, the various quantities used for ray tracing in this embodiment, is presented in Table 10 below. 光学面の順序（面番号の順序）は使用者の眼１６の瞳１６ａの面（＝イメージコンバイナ１１の射出瞳Ｐの面）から画像表示素子１２への順である。 The order of the optical surface (the order of the surface number) in the order from the surface of the pupil 16a of the user's eye 16 (= plane of the exit pupil P of the image combiner 11) to the image display device 12. なお、表１０において、各面番号に対応する図１２中の参照符号を括弧書きの「符号」として示している。 Note that in the Table 10, the reference numerals in FIG. 12 corresponding to each surface number as "code" in the parentheses.
【０１６５】また、本具体例における各光学面の位置関係として、第１面（面番号１＝図１２中の符号Ｐ）の中心を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とした各光学面の中心の絶対位置とＸ軸の周りの回転量（反時計周りを正として測った値）を、下記の表１１に示す。 [0165] Further, as the positional relationship of each optical surface in this embodiment, the center of the first surface (reference numeral P in the surface numbers 1 = 12) origin (X, Y, Z) = (0,0,0 ) and the rotation amount around the absolute position and the X-axis of the center of each optical surface and the (value measured with the counterclockwise as positive), shown in Table 11 below.
【０１６７】以上、本発明の各実施の形態及びそれらの具体例について説明したが、本発明はこれらの実施の形態や具体例に限定されるものではない。 [0167] Having described the embodiments and their embodiments of the present invention, the present invention is not limited to the embodiments and specific examples of these embodiments.
【０１６８】例えば、前述した各実施の形態は、本発明によるイメージコンバイナを用いて頭部装着式の画像表示装置を構成した例であったが、前述した各実施の形態で採用されていた各イメージコンバイナ１１は、カメラのファインダーや顕微鏡及び双眼鏡の接眼レンズ部に装着し得るように構成したり、あるいは、当該イメージコンバイナをカメラや顕微鏡や双眼鏡等に組み込んでもよい。 [0168] For example, each of the above described embodiments, although the image combiner according to the present invention was an example in which the image display device of a head-mounted with, had been adopted in the above-described embodiments image combiner 11, or adapted to be mounted on the viewfinder or a microscope and binocular eyepiece of the camera, or may incorporate the image combiner to a camera or a microscope, binoculars, and the like.
使用者が外界などの前方からの光による像とこれに重畳された表示画像を見ることができるイメージコンバイナにおいて、板状部の厚みが薄いにも関わらず、表示画像の画角をより広くしたり表示画像に対する射出瞳径をより大きくしたりすることができるイメージコンバイナ、 In image combiner which a user can view the displayed image superimposed image and thereto by light from the front, such as the outside world, despite the small thickness of the plate-like portion, and a wider viewing angle of the display image image combiner capable or larger exit pupil diameter to or displayed image,
及びこれを用いた頭部装着式等の画像表示装置を提供することができる。 And it is possible to provide an image display device of a head-mounted or the like using the same.
【図１】本発明の第１の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線の概略の経路を示す図である。 1 is a diagram showing the construction and route of outline of the light beam of the image display apparatus according to the first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第２の実施の形態の第１の具体例による画像表示装置の構成及びその光線の経路を示す図である。 Is a diagram illustrating the configuration and path of the ray of the image display apparatus according to a first specific example of the second embodiment of the present invention; FIG.
【図３】第２の実施の形態の第１の具体例の光学系の結像性能を表すためのスポットダイアグラムである。 3 is a spot diagram for representing the imaging performance of the optical system of the first example of the second embodiment.
【図４】本発明の第２の実施の形態の第２の具体例による画像表示装置の構成及びその光線の経路を示す図である。 Is a diagram illustrating the configuration and path of the ray of the image display apparatus according to a second specific example of the second embodiment of the present invention; FIG.
【図５】本発明の第３の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線の経路を示す図である。 5 is a diagram showing the construction and route of the ray of the image display apparatus according to a third embodiment of the present invention.
【図６】本発明の第３の実施の形態の具体例の光学系の結像性能を表すためのスポットダイアグラムである。 6 is a spot diagram for representing the imaging performance of the optical system in the embodiment of the third embodiment of the present invention.
【図７】本発明の第４の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線の経路を示す図である。 7 is a diagram showing the construction and route of the ray of the image display apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
【図８】図７中のエアギャップ層の作用を示す説明図である。 8 is an explanatory view showing an operation of the air gap layer in FIG.
【図９】本発明の第４の実施の形態の具体例の光学系の結像性能を表すためのスポットダイアグラムである。 9 is a spot diagram for representing the imaging performance of the optical system of a specific example of the fourth embodiment of the present invention.
【図１０】本発明の第５の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線の経路を示す図である。 Is a diagram illustrating the configuration and path of the ray of the image display apparatus according to a fifth embodiment of the invention; FIG.
【図１１】本発明の第５の実施の形態の具体例の光学系の結像性能を表すためのスポットダイアグラムである。 11 is a spot diagram for representing the imaging performance of the optical system of a specific example of the fifth embodiment of the present invention.
【図１２】本発明の第６の実施の形態による画像表示装置の構成及びその光線の経路を示す図である。 12 is a diagram showing the construction and route of the ray of the image display apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
【図１３】従来の画像表示装置の構成及びその光線の経路を示す図である。 13 is a diagram showing the construction and route of the ray of a conventional image display device.
１１ イメージコンバイナ １２ 画像表示素子 １３ ＬＥＤ １４ 反射鏡 １５ 板状部 １６ 眼 １６ａ 瞳 １７，２０ 透過型ホログラム光学素子 ３０ エアギャップ層 ４０ 反射面 ５０ ハーフミラー 11 image combiner 12 the image display device 13 LED 14 reflector 15 plate-shaped portion 16 eye 16a pupil 17,20 transmission type holographic optical element 30 the air gap layer 40 reflective surface 50 half mirror
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl. 7識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５ Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５ ────────────────────────────────────────────────── ─── of the front page continued (51) Int.Cl. 7 identification mark FI theme Court Bu (reference) G02F 1/13 505 G02F 1/13 505
【請求項１】 光学材料で構成され光学的パワーを持つかあるいは光学的パワーを持たない板状部を備え、使用時に前記板状部の少なくとも一部が使用者の眼の前に位置し、前記板状部の前方から前記板状部の厚みを通過するように前記板状部を透過する光に対して、画像表示素子からの光を重畳させて、前記眼に導くイメージコンバイナであって、 前記板状部における前記眼と対向する位置付近において、前記板状部の内部に、光路偏向作用を持つ平面状又は曲面状の第１の透過型ホログラム光学素子が設けられたことを特徴とするイメージコンバイナ。 [Claim 1 further comprising a plate-like portion having no or optical power with an optical power of an optical material is formed, at least a portion of the plate portion is positioned in front of the eyes of the user during use, with respect to the light passing through the said plate-like portion so as to pass through the thickness of the plate portion from the front side of the plate portion, it superimposes the light from the image display device, comprising an image combiner that leads to the eye , in the vicinity of a position facing the eye in the plate portion, and wherein the inside of the plate portion, the first transmission type holographic optical element of planar or curved having an optical path deflecting action provided image combiner that.
【請求項２】 前記第１の透過型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つことを特徴とする請求項１記載のイメージコンバイナ。 Wherein the image combiner according to claim 1, wherein said first transmission type holographic optical element is characterized by having an optical power.
【請求項３】 前記第１の透過型ホログラム光学素子は、前記画像表示素子の表示部の中心に対応する主光線に対する偏向角が絶対値で４５度以下となる光路偏向作用を持つことを特徴とする請求項１又は２記載のイメージコンバイナ。 Wherein the first transmission type holographic optical element is characterized by having an optical path deflecting action of the deflection angle of 45 degrees or less in absolute value with respect to the main ray which corresponds to the center of the display unit of the image display device claim 1 or 2 image combiner according to.
【請求項４】 前記第１の透過型ホログラム光学素子が前記板状部の面に対して傾けられたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のイメージコンバイナ。 Wherein the image combiner according to any one of the first transmission type holographic optical element according to claim 1 to 3, characterized in that is inclined to the plane of the plate-like portion.
【請求項５】 前記画像表示素子からの光は、前記板状部の前記眼と反対側の面から当該面に対して斜めに入射して当該面で屈折し、前記第１の透過型ホログラム光学素子を透過した後に、前記板状部の前記眼の側の面から射出されることを特徴とする請求項４記載のイメージコンバイナ。 Light from wherein the image display device is refracted at the surface to obliquely incident on the surface from the surface opposite to the eye of the plate portion, the first transmission hologram after passing through the optical element, an image combiner according to claim 4, characterized in that it is emitted from the surface of the side of the eye of the plate-like portion.
【請求項６】 前記眼の視野内で、前記板状部の前記眼の側の面に、平面状又は曲面状の第２の透過型ホログラム光学素子が設けられたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のイメージコンバイナ。 In 6. within the field of view of the eye, claims, characterized in that the surface of the side of the eye of the plate portion, the second transmission type holographic optical element of planar or curved provided 1 to the image combiner according to any one of the 4.
【請求項７】 前記第２の透過型ホログラム光学素子は、前記第１の透過型ホログラム光学素子により偏向された前記画像表示素子の表示部の中心に対応する主光線を、同じ向きに更に偏向させる光路偏向作用を持つことを特徴とする請求項６記載のイメージコンバイナ。 Wherein said second transmission type holographic optical element further deflects the chief ray corresponding to the center of the display portion of the first transmission type holographic optical the image display device which is deflected by the element, in the same direction image combiner according to claim 6, characterized by having an optical path deflecting action to.
【請求項８】 前記第２の透過型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つことを特徴とする請求項６又は７記載のイメージコンバイナ。 Wherein said second claim 6 or 7 image combiner according transmissive type holographic optical element is characterized by having an optical power.
【請求項９】 前記第２の透過型ホログラム光学素子は、前記画像表示素子の表示部の中心に対応する主光線に対する偏向角が絶対値で４５度以下となる光路偏向作用を持つことを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載のイメージコンバイナ。 Wherein said second transmission type holographic optical element is characterized by having an optical path deflecting action of the deflection angle of 45 degrees or less in absolute value with respect to the main ray which corresponds to the center of the display unit of the image display device image combiner according to any one of claims 6 to 8,.
【請求項１０】 前記画像表示素子からの光は、前記板状部の前記眼と反対側の面から当該面に対して斜めに前記板状部内に入射して当該面で屈折した後に、前記第１ Light from wherein said image display device, after from the eye opposite to the surface of the plate-like portion incident on the plate-like portion at an angle with respect to the surface refracted in the plane, the first
の透過型ホログラム光学素子及び前記第２の透過型ホログラム光学素子を順次透過して、前記第２の透過型ホログラム光学素子から射出されることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載のイメージコンバイナ。 The transmission type holographic optical element and said second transmission type holographic optical element are sequentially transmitted in, according to any one of claims 6-9, characterized in that it is emitted from the second transmission type holographic optical element of the image combiner.
【請求項１１】 前記画像表示素子からの光は、前記板状部の前記眼と反対側の面の内側で実質的に全反射した後に、前記第１の透過型ホログラム光学素子及び前記第２の透過型ホログラム光学素子を順次透過して、前記第２の透過型ホログラム光学素子から射出されることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載のイメージコンバイナ。 11. Light from the image display device, after substantially total reflection inside of the eye on the opposite side of the surface of the plate portion, the first transmission type holographic optical element and the second transmission type are sequentially transmitted through the hologram optical element, the second transmission type hologram image combiner according to any one of claims 6-9, characterized in that it is emitted from the optical element.
【請求項１２】 前記画像表示素子からの光は、前記板状部の前記眼と反対側の面の内側で実質的に全反射する前に、前記板状部の前記眼の側の面の内側で実質的に全反射することを特徴とする請求項１１記載のイメージコンバイナ。 12. A light from the image display element, prior to substantial total reflection on the inside of the eye on the opposite side of the surface of the plate portion, the side surface of the eye of the plate-like portion substantially image combiner according to claim 11, wherein the total reflection on the inside.
【請求項１３】 前記板状部の内部又は表面に反射面又は反射型ホログラム光学素子が設けられ、前記画像表示素子からの光は、前記板状部の前記眼と反対側の面の内側で実質的に全反射する前に、前記反射面又は前記反射型ホログラム光学素子で反射されることを特徴とする請求項１１記載のイメージコンバイナ。 13. The reflective surface or reflective holographic optical element is provided in or on the plate-like portion, the light from the image display device is inside the eye on the opposite side of the surface of the plate-like portion substantially before the total reflection, the image combiner according to claim 11, characterized in that it is reflected by the reflection surface or the reflection type holographic optical element.
【請求項１４】 光学材料で構成され光学的パワーを持つかあるいは光学的パワーを持たない板状部を備え、使用時に前記板状部の少なくとも一部が使用者の眼の前に位置し、前記板状部の前方から前記板状部の厚みを通過するように前記板状部を透過する光に対して、画像表示素子からの光を重畳させて、前記眼に導くイメージコンバイナであって、 前記板状部における前記眼と対向する位置付近において、前記板状部の前記眼の側の面に、光路偏向作用を持つ透過型ホログラム光学素子が設けられたことを特徴とするイメージコンバイナ。 14. a plate-like portion having no or optical power with an optical power of an optical material is formed, at least a portion of the plate portion is positioned in front of the eyes of the user during use, with respect to the light passing through the said plate-like portion so as to pass through the thickness of the plate portion from the front side of the plate portion, it superimposes the light from the image display device, comprising an image combiner that leads to the eye , in the vicinity of a position facing the eye in the plate portion, the surface of the side of the eye of the plate-like portion, an image combiner, characterized in that the transmission hologram optical element having an optical path deflecting action provided.
【請求項１５】 前記透過型ホログラム光学素子が光学的パワーを持つことを特徴とする請求項１４記載のイメージコンバイナ。 15. The image combiner according to claim 14, wherein the transmission type holographic optical element is characterized by having an optical power.
【請求項１６】 前記透過型ホログラム光学素子は、前記画像表示素子の表示部の中心に対応する主光線に対する偏向角が絶対値で４５度以下となる光路偏向作用を持つことを特徴とする請求項１４又は１５記載のイメージコンバイナ。 16. The transmission type holographic optical element, wherein, characterized in that with the optical path deflecting action of the deflection angle of 45 degrees or less in absolute value with respect to the main ray which corresponds to the center of the display unit of the image display device claim 14 or 15 image combiner according.
【請求項１７】 前記画像表示素子からの光の光路中で前記板状部の内部にエアギャップ層又はハーフミラーが設けられ、前記画像表示素子からの光は、前記エアギャップ層の面で実質的に全反射するかあるいは前記ハーフミラーで反射した後に、前記透過型ホログラム光学素子を透過して、前記透過型ホログラム光学素子から射出されることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれかに記載のイメージコンバイナ。 17. The air gap layer or a half mirror in the interior of the panel portion in the optical path of the light from the image display device is provided, the light from the image display element is substantially in the plane of the air gap layer to after being reflected by the or the half mirror is totally reflected, and transmitted through the transmission type holographic optical element, in any one of claims 14 to 16, characterized in that it is emitted from the transmission type holographic optical element image combiner described.
【請求項１８】 前記画像表示素子からの光の光路中にエアギャップ層が設けられ、該光路中でかつ前記板状部の前記眼と反対側の面にハーフミラー又は反射型ホログラム光学素子が設けられ、前記画像表示素子からの光は、前記エアギャップ層の面で実質的に全反射した後に前記ハーフミラー又は前記反射型ホログラム光学素子で反射され、更に前記エアギャップ層を透過した後に前記透過型ホログラム光学素子を透過して、前記透過型ホログラム光学素子から射出されることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれかに記載のイメージコンバイナ。 18. The air gap layer is provided in the optical path of the light from the image display device, a half mirror or reflective holographic optical element in the eye opposite to the surface of the optical path a and the plate-like portion provided, the light from the image display element, wherein after said reflected by the half mirror or the reflective holographic optical element after substantially total reflection in terms of the air gap layer, and further transmitted through the air gap layer transmitted through the transmission type holographic optical element, an image combiner according to any one of claims 14 to 16, characterized in that it is emitted from the transmission type holographic optical element.
【請求項１９】 前記画像表示素子からの光に対する当該イメージコンバイナの射出瞳の、前記画像表示素子の表示部の中心に対応する主光線の偏向前後の光路を含む面に沿った径が、前記板状部の厚さの１／２より大きいことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載のイメージコンバイナ。 19. of the image combiner of the exit pupil with respect to light from the image display element, the diameter along a plane including the optical path before and after the deflection of the main light beam corresponding to the center of the display unit of the image display element, wherein image combiner according to any one of claims 1 to 18, characterized in that greater than half the thickness of the plate-like portion.
【請求項２０】 請求項１乃至１９のいずれかに記載のイメージコンバイナと、前記画像表示素子とを備え、使用時に少なくとも前記イメージコンバイナを含む部分が使用者に装着されることを特徴とする画像表示装置。 An image combiner according to any one of claims 20] claims 1 to 19, and a said image display device, an image, characterized in that the portion including at least the image combiner is mounted on the user during use display device.
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