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技術 表示装置

出願人 オリンパス株式会社
発明者 宮崎敢人渡部智史松本浩司
出願日 2014年10月3日 (5年2ヶ月経過) 出願番号 2016-551122
公開日 2017年7月27日 (2年4ヶ月経過) 公開番号 WO2016-051439
状態 特許登録済
技術分野 電気信号の光信号への変換 その他の光学系・装置、色の干渉・色の制御
主要キーワード 伝播位置 つりあわせ バンドパス型 ローパス型 繰返し反射 等比級数的 伝播角度 各三角プリズム
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図面 (20)

課題・解決手段

小型化・薄型化が容易にできて、画像内における輝度ムラを低減できる表示装置を提供する。画像光無限遠投影する投影光学系11と、投影光学系11からの画像光を順次一方向に拡大する第1の伝播光学系21、第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23と、を備え、第3の伝播光学系23から射出される画像光により画像を観察可能とする。

概要

背景

かかる表示装置として、例えば投影光学系の射出瞳を任意の1方向に拡大する2つの光学素子を互いに直交するように配置して、射出瞳を2次元状に拡大する表示装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。

概要

小型化・薄型化が容易にできて、画像内における輝度ムラを低減できる表示装置を提供する。画像光無限遠投影する投影光学系11と、投影光学系11からの画像光を順次一方向に拡大する第1の伝播光学系21、第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23と、を備え、第3の伝播光学系23から射出される画像光により画像を観察可能とする。

目的

本発明は、かかる観点に鑑みてなされたもので、小型化・薄型化が容易にできて、画像内における輝度ムラを低減できる表示装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

画像光無限遠投影する投影光学系と、該投影光学系からの前記画像光を順次一方向に拡大する第1の伝播光学系、第2の伝播光学系及び第3の伝播光学系と、を備え、前記第3の伝播光学系から射出される前記画像光により画像を観察可能とした表示装置

請求項2

前記第1の伝播光学系、前記第2の伝播光学系及び前記第3の伝播光学系の各々は、入射される前記画像光を対向する2面間で繰返し反射させながら導光する導光部と、該導光部内を導光する前記画像光の一部を前記2面のうちの一方の面から順次射出させて前記画像光を拡大する出力偏向部と、を備え、少なくとも前記第2の伝播光学系による光束拡大方向は、前記第1の伝播光学系及び前記第3の伝播光学系によるそれぞれの光束拡大方向と交差する、請求項1に記載の表示装置。

請求項3

前記第1の伝播光学系、前記第2の伝播光学系及び前記第3の伝播光学系の少なくとも一つの前記出力偏向部は、前記画像光の導光方向に沿って前記導光部の前記2面間に傾斜して配列された複数のビームスプリット膜を有し、該ビームスプリット膜で一部反射される前記画像光を前記一方の面から射出させる、請求項2に記載の表示装置。

請求項4

前記第1の伝播光学系、前記第2の伝播光学系及び前記第3の伝播光学系の少なくとも一つの前記出力偏向部は、前記導光部の前記2面のうちの他方の面側に配置されたビームスプリット膜及びプリズムアレイを備え、前記ビームスプリット膜を透過して前記プリズムアレイで反射される前記画像光を、前記ビームスプリット膜及び前記導光部を透過させて前記一方の面から射出させる、請求項2に記載の表示装置。

請求項5

前記第1の伝播光学系、前記第2の伝播光学系及び前記第3の伝播光学系の少なくとも一つの前記出力偏向部は、前記導光部の前記2面のうちの他方の面側に配置されたビームスプリット膜及びグレーティングを備え、前記ビームスプリット膜を透過して前記グレーティングで回折される前記画像光を、前記ビームスプリット膜及び前記導光部を透過させて前記一方の面から射出させる、請求項2に記載の表示装置。

請求項6

前記投影光学系は、前記第3の伝播光学系における前記画像光の射出面とほぼ平行に延在して配置されている、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の表示装置。

技術分野

0001

本発明は、射出瞳を拡大して画像を投影する表示装置に関するものである。

背景技術

0002

かかる表示装置として、例えば投影光学系の射出瞳を任意の1方向に拡大する2つの光学素子を互いに直交するように配置して、射出瞳を2次元状に拡大する表示装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。

先行技術

0003

特開2013−061480号公報

発明が解決しようとする課題

0004

特許文献1に開示のような表示装置においては、投影光学系の射出瞳を観察者瞳孔径よりも大きくして、投影される画像内の輝度ムラを低減することが望まれる。しかしながら、投影光学系の射出瞳を大きくすると、投影光学系が大型化して装置の小型化・薄型化が困難になることが懸念される。

0005

本発明は、かかる観点に鑑みてなされたもので、小型化・薄型化が容易にできて、画像内における輝度ムラを低減できる表示装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0006

上記目的を達成する本発明に係る表示装置は、
画像光無限遠に投影する投影光学系と、
該投影光学系からの前記画像光を順次一方向に拡大する第1の伝播光学系、第2の伝播光学系及び第3の伝播光学系と、を備え、
前記第3の伝播光学系から射出される前記画像光により画像を観察可能としたものである。

0007

前記第1の伝播光学系、前記第2の伝播光学系及び前記第3の伝播光学系の各々は、
入射される前記画像光を対向する2面間で繰返し反射させながら導光する導光部と、
導光部内を導光する前記画像光の一部を前記2面のうちの一方の面から順次射出させて前記画像光を拡大する出力偏向部と、を備え、
少なくとも前記第2の伝播光学系による光束拡大方向は、前記第1の伝播光学系及び前記第3の伝播光学系によるそれぞれの光束拡大方向と交差するとよい。

0008

前記第1の伝播光学系、前記第2の伝播光学系及び前記第3の伝播光学系の少なくとも一つの前記出力偏向部は、前記画像光の導光方向に沿って前記導光部の前記2面間に傾斜して配列された複数のビームスプリット膜を有し、該ビームスプリット膜で一部反射される前記画像光を前記一方の面から射出させるとよい。

0009

前記第1の伝播光学系、前記第2の伝播光学系及び前記第3の伝播光学系の少なくとも一つの前記出力偏向部は、前記導光部の前記2面のうちの他方の面側に配置されたビームスプリット膜及びプリズムアレイを備え、前記ビームスプリット膜を透過して前記プリズムアレイで反射される前記画像光を、前記ビームスプリット膜及び前記導光部を透過させて前記一方の面から射出させてもよい。

0010

前記第1の伝播光学系、前記第2の伝播光学系及び前記第3の伝播光学系の少なくとも一つの前記出力偏向部は、前記導光部の前記2面のうちの他方の面側に配置されたビームスプリット膜及びグレーティングを備え、前記ビームスプリット膜を透過して前記グレーティングで回折される前記画像光を、前記ビームスプリット膜及び前記導光部を透過させて前記一方の面から射出させてもよい。

0011

前記投影光学系は、前記第3の伝播光学系における前記画像光の射出面とほぼ平行に延在して配置されているとよい。

発明の効果

0012

本発明に係る表示装置によれば、小型化・薄型化が容易にできて、画像内における輝度ムラを低減することが可能となる。

図面の簡単な説明

0013

第1実施の形態に係る表示装置の概略構成を示す斜視図である。
図1AのB矢視図である。
図1の瞳拡大光学系の分解斜視図である。
第1の伝播光学系の説明図である。
第2の伝播光学系の説明図である。
第3の伝播光学系の説明図である。
瞳拡大光学系の寸法例の説明図である。
ビームスプリット膜の反射率特性の一例を示す図である。
第2の出力偏向部に出射可能な光線の角度の説明図である。
第2の入力偏向部の傾斜面への最小入射角度の光束及び最大入射角度の光束の入力側接合面における透過領域を示す図である。
第3の入力偏向部の傾斜面への最小入射角度の光束及び最大入射角度の光束の入力側接合面における透過領域を示す図である。
物体高に応じたy方向の角度成分を有する光束の第2の導光部による伝播軌跡をz方向に垂直な平面に射影した図である。
第2の導光部内でx方向に伝播される光束の説明図である。
第2の入力偏向部、第2の出力偏向部及び第3の入力偏向部の大きさを説明するための図である。
第2実施の形態に係る表示装置における第1の伝播光学系の概略構成を示す図である。
入射角により薄膜分光曲線波長方向に沿ってシフトする性質を説明するための図である。
ビームスプリット膜の入射領域からの距離に応じた透過率特性を示す図である。
第2の入力偏向部及び第2の出力偏向部の界面に塗料層を有しない場合の光の軌跡の説明図である。
ビームスプリット膜が射出領域の端部に形成されない場合の光の軌跡の説明図である。
第3実施の形態に係る表示装置における第1の伝播光学系の概略構成を示す図である。
第4実施の形態に係る表示装置の概略構成を示す図である。

実施例

0014

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

0015

(第1実施の形態)
図1Aは、本発明の第1実施の形態に係る表示装置の概略構成を示す斜視図である。図1Bは、図1AのB矢視図である。本実施の形態に係る表示装置10は、投影光学系11及び瞳拡大光学系12を含んで構成される。以下の説明では、便宜上、図1Bに示すように、瞳拡大光学系12の近傍における紙面内左右方向をy方向、紙面内上下方向をz方向、紙面垂直方向をx方向とする。y方向、z方向及びx方向は、互いに直交する。

0016

投影光学系11は、任意の画像に対応する画像光を無限遠に投影する。瞳拡大光学系12は、投影光学系11の射出瞳を拡大して、投影する画像光を射出する。これにより、観察者は、瞳拡大光学系12の画像光の射出面である投影領域PA内の任意の位置に目を合わせることにより、画像を観察することが可能となる。

0017

投影光学系11は、光源部13、光束拡大・拡散素子14、透過型カラー液晶表示素子15(以下、単にLCDパネル15と称する)、投影部16、及び折り返しミラー17を含んで構成される。

0018

光源部13は、例えば赤色(R)光、緑色(G)光及び青色(B)光のレーザ光を射出する3つのレーザ光源を有し、これらレーザ光源からのレーザ光を、光軸を合わせて射出する。R光、G光及びB光の波長は、例えばR:640nm、B:520nm、B:450nmである。

0019

光束拡大・拡散素子14は、入射するレーザ光を拡大・拡散して射出する。

0020

LCDパネル15は、例えばx方向に5.6mm、y方向に4.5mmの長さを有する矩形である。LCDパネル15は、表示装置10で表示すべき任意の画像を形成し、光束拡大・拡散素子14により均一照明される光源部13からのレーザ光を画像に応じて透過することにより、レーザ光を空間変調して画像光を生成する。

0021

投影部16は、射出瞳径が例えば5mm〜10mmであり、LCDパネル15により空間変調された画像光を無限遠に投影する。一例として、投影部16は、焦点距離が28.8mm、Fナンバーが4、射出瞳径が7mmで構成される。なお、投影部16は、LCDパネル15の各画素のx方向及びy方向の位置、すなわち光軸からの物体高に応じたx方向及びy方向の角度成分を有する平行光束の群を画像光として射出する。例えば、投影部16は、x方向に±4.6°、y方向に±5.7°の角度範囲で画像光を射出する。投影部16が投影する画像光は、折り返しミラー17で反射されて瞳拡大光学系12に入射する。

0022

次に、瞳拡大光学系12の構成について、図2に示す分解斜視図を参照して説明する。瞳拡大光学系12は、第1の伝播光学系21、第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23を含んで構成される。

0023

第1の伝播光学系21は、後述する導光部の入射領域と投影部16の射出瞳とが合わさるように配置され、投影される射出瞳をy方向にEy1の領域に亘って拡大して射出する。第2の伝播光学系22は、第1の伝播光学系21によりy方向に拡大された射出瞳をx方向にExの領域に亘って拡大して射出する。第3の伝播光学系23は、第2の伝播光学系22によりx方向に拡大された射出瞳をさらにy方向にEy2の領域に亘って拡大して、画像光の射出面である投影領域PAから射出する。これにより、観察者は、投影領域PA内の任意の位置に目を合わせることにより画像を観察することが可能となる。

0024

図1A及び図1Bに示したように、本実施の形態において、投影光学系11は、瞳拡大光学系12の投影領域PAを形成する第3の伝播光学系23の画像光の射出面とほぼ平行に延在して配置される。したがって、表示装置10の小型化・薄型化が容易に可能となる。

0025

次に、図3を参照して、第1の伝播光学系21の構成及び射出瞳の拡大機能について説明する。第1の伝播光学系21は、第1の導光部25、第1の入力偏向部26及び第1の出力偏向部27を含んで構成される。第1の導光部25は、互いに平行且つ対向する第1の平面S11及び第2の平面S12を有する全体として透過性を有する平行平板状に形成される。

0026

第1の入力偏向部26は、例えば石英からなるプリズムであり、平面状の入力側接合面S13及び入力側接合面S13に対して傾斜した傾斜面S14を有する。傾斜面S14は、アルミ蒸着されて反射膜として機能する。第1の入力偏向部26は、入力側接合面S13が透明接着剤により第1の導光部25の一端部の第1の平面S11に接合される。なお、第1の入力偏向部26は、第1の導光部25の他端部側の端面E1が黒色色付けられ、該端面E1に入射する光束を反射すること無く吸収する。

0027

第1の出力偏向部27は、導光部25の入力偏向部26の接合部を除く領域に、画像光の導光方向に沿って第1の平面S11と第2の平面S12との間に、第1の平面S11及び第2の平面S12に対して所定角度(本実施の形態では、55°)傾斜して配列された複数のビームスプリット膜28で構成される。実際には、第1の導光部25及び第1の出力偏向部27は、傾斜面を有する例えば石英からなる透明部材を、ビームスプリット膜28を介して順次積層して、第1の平面S11及び第2の平面S12を有する平行平板状に形成することで構成される。第1の導光部25の第2の平面S12には、必要に応じて、垂直な方向から入射する画像光の反射を抑制する反射防止膜が形成される。以下、第1の伝播光学系21の長手方向(図3におけるy方向)において、第1の入力偏向部26が設けられる領域を入射領域、第1の出力偏向部27が設けられる領域を射出領域と呼ぶ。

0028

なお、第1の入力偏向部27は、第1の導光部25と同一の材質で形成することにより、入力側接合面S13及び第1の平面S11間の界面における反射を理想的に低減化することが可能となる。

0029

第1の伝播光学系21は、投影光学系11の光軸に平行な光束Lxが、第2の平面S12における入射領域に外部から垂直に入射するように配置される。入射領域に垂直に入射した光束Lxは、第1の導光部25から第1の入力偏向部26に入射し、傾斜面S14により斜方に反射される。斜方に反射された光束Lxは、第1の導光部25の第1の平面S11を透過して第2の平面S12に入射する。第1の入力偏向部26の入力側接合面S13に対する傾斜面S14のなす頂角は、傾斜面S14で反射されて第2の平面S12に入射する光束Lxが全反射するように定められる。

0030

したがって、第1の導光部25内部での第2の平面S12に対する入射角度θは、臨界角を超える、すなわちθ>sin-1(1/n)(nは導光部25の屈折率)であることが必要である。第1の導光部25が例えば石英によって形成される場合、臨界角は43.6°である。

0031

投影光学系11から垂直に入射する物体高の光束に関して、第1の導光部25内での第2の平面S12への入射角度θは、第1の入力偏向部26の入力側接合面S13に対する傾斜面S14の傾斜角度倍角なので、傾斜角度は21.8°以上であることが必要である。本実施の形態では、当該傾斜角度は、例えば、25.8°である。

0032

ここで、LCDパネル15のサイズと、投影部16の焦点距離とに基づいて、第2の平面S12の入射領域に入射する光線の角度を制限可能である。例えば、入射する光線の角度を、空気側でx方向に±4.6°、y方向に±5.7°、石英により形成された第1の導光部25の媒質中でx方向に±3.1°、y方向に±3.9°の範囲内に制限することが可能である。このような角度に制限することにより、第1の伝播光学系21において、全ての物体高に応じた画像光の光束を、導光部25内で第2の平面S12において全反射させることが可能となる。

0033

第1の入力偏向部26の傾斜面S14で反射された光束(画像光)Lxは、第1の導光部25の内部で第2の平面S12の射出領域に斜方から入射する。斜方から入射した光束Lxは、第2の平面S12に臨界角を超える角度で入射して全反射される。全反射された光束Lxは、ビームスプリット膜28に斜方から入射して、入射角に応じた光量が反射され、残りの光量が透過する。ビームスプリット膜28を透過した光束Lxは、第1の平面S11に臨界角を超える角度で入射し、全反射される。以後、ビームスプリット膜28における一部透過と、第2の平面S12及び第1の平面S11における全反射とを繰返しながら、光束Lxは導光部25のx方向に伝播される。そして、ビームスプリット膜28で反射される光束のうち、第2の平面S12に臨界角未満で入射する光束が、当該第2の平面S12を透過して射出される。

0034

第2の伝播光学系22は、図4に部分詳細図を示すように、第2の導光部35、第2の入力偏向部36及び第2の出力偏向部37を含んで、第1の伝播光学系21と同様に構成される。第3の伝播光学系23は、図5に部分詳細図を示すように、第3の導光部45、第3の入力偏向部46及び第3の出力偏向部47を含んで、第1の伝播光学系21と同様に構成される。なお、第1の伝播光学系21と第2の伝播光学系22との間、第2の伝播光学系22と第3の伝播光学系23との間には、後段の伝播光学系に入射される画像光の偏光を調整する1/2波長板が配置されてもよい。

0035

第2の伝播光学系22は、第1の伝播光学系21から射出される画像光を入射して、x方向に導光しながら射出するように配置される。第3の伝播光学系23は、第2の伝播光学系22から射出される画像光を入射して、y方向に導光しながら射出するように配置される。これにより、投影部16の射出瞳は、第1の伝播光学系21でy方向に拡大され、第2の伝播光学系22でx方向に拡大され、さらに第3の伝播光学系23でy方向に拡大されて、投影領域PAから画像光が射出される。

0036

図6は、瞳拡大光学系12の寸法例を示す図である。第1の伝播光学系21は、y方向の寸法Wy1が例えば27mmであり、x方向の寸法Wx1が例えば10mmである。第2の伝播光学系22は、y方向の寸法Wy2が例えば20mmであり、x方向の寸法Wx2が例えば60mmである。第3の伝播光学系23は、y方向の寸法Wy3が例えば120mmであり、x方向の寸法Wx3が例えば50mmである。第1の伝播光学系21の射出領域のy方向の長さは、第2の伝播光学系22のy方向の寸法Wy2とほぼ等しい。第2の伝播光学系22の射出領域のx方向の長さは、第3の伝播光学系23のx方向の寸法Wx3とほぼ等しい。

0037

また、第1の伝播光学系21、第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23において、各導光部の厚さ、すなわち第1の平面と第2の平面との間隔は、例えば2mmである。また、第1の伝播光学系21、第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23の各々において、ビームスプリット膜28は、例えば1.4mm間隔で設けられる。したがって、ビームスプリット膜28は、第1の伝播光学系21についてはy方向に例えば15層設けられ、第2の伝播光学系22についてはx方向に例えば39層設けられ、第3の伝播光学系23についてはy方向に例えば72層設けられる。

0038

ここで、ビームスプリット膜28は、各導光部において、入射領域から導光方向に離れるほど反射率が増加するとよい。本実施の形態においては、ビームスプリット膜28の膜タイプを、表1に示す反射率を有するBS膜タイプA〜Hとするとき、第1の伝播光学系21は、表2に示すようにBS膜タイプC及びDの2種類のビームスプリット膜28を含んで構成される。第2の伝播光学系22は、表3に示すようにBS膜タイプA、B、C及びDの4種類のビームスプリット膜28を含んで構成される。第3の伝播光学系23は、表4に示すようにBS膜タイプE、F、G及びHの4種類のビームスプリット膜28を含んで構成される。なお、表1の反射率は、入射角55°及び15°の場合の波長520nmの光の反射率を示している。また、表2、表3及び表4において、BS膜番号は、画像光の入射側からの順番を示している。

0039

0040

0041

0042

0043

図7は、BS膜タイプAのビームスプリット膜28の反射率特性の一例を示す。図7には、入射角55°と、55°±6°の入射角61°及び49°と、入射角15°と、15°±6°の入射角21°及び9°との反射率特性を示している。ここで、入射角55°、61°及び49°の光は、ビームスプリット膜28に入射後、主に反射して導光部の外に取り出される光である。入射角15°、21°及び9°の光は、ビームスプリット膜28に入射後、主にビームスプリット膜28を透過して導光部の先端に向かって伝播される光である。

0044

次に、第2の伝播光学系22の第2の入力偏向部36のサイズについて、図4図8及び図9を参照して説明する。第2の伝播光学系22によりx方向にコピーされる射出瞳には、射出領域内の観察位置及び物体高に応じた画像光の角度によっては輝度ムラが生じ得る。輝度ムラを低減化するためには、第2の入力偏向部36で反射されて第2の導光部35に入射される画像光によって第2の出力偏向部37が満たされることが好ましい。

0045

図4に示すように、第2の入力偏向部36で反射されて第2の出力偏向部37に入射する光線は、第2の入力偏向部36で反射されて第2の導光部35の第1の平面S21に入射する光線の中で、第2の入力偏向部36の端面E1よりも第2の入力偏向部36よりに入射するx方向に沿った光線である。ここで、第2の入力偏向部36で反射されて第1の平面S21に入射する光線の中で、最も端面E1よりの光線を第1の光線b1とする。

0046

また、第2の入力偏向部36で反射され、さらに第2の導光部35の第2の平面S22で全反射されて第2の出力偏向部37に到達する光線は、第2の平面S22での全反射後に第2の入力偏向部36の端部E1よりも第2の出力偏向部37側に到達するx方向に沿った光線である。ここで、第2の入力偏向部36及び第2の導光部35の第2の平面S22で順次全反射されて第2の出力偏向部37に到達する光線の中で、最も端面E1から離れた光線を第2の光線b2とする。

0047

第2の平面S22において、第1の光線b1及び第2の光線b2の軌跡に囲まれる領域のx方向の幅Dxは、(1)式によって与えられる。

0048

0049

(1)式において、θv1y0は、y方向の物体高がゼロである光束の第2の導光部35内での第2の平面S22への入射角度である。また、T1は、第2の導光部35の厚さ、すなわちz方向の長さである。

0050

また、第2の入力偏向部36の入力側接合面S23において、入射角度θv1y0の光束に含まれる第1の光線b1及び第2の光線b2の軌跡に囲まれる領域のx方向の幅Bxx(図8参照)は、(2)式によって与えられる。

0051

0052

入射角度θv1y0は、LCDパネル15のx方向の位置により、第1の伝播光学系21を経て入射する物体高に応じて変動する。ここで、図8において、第2の入力偏向部36の傾斜面S24への入射角が最小となる入力側接合面S23への入射角度θv1my0の光束に含まれる第1の光線b1及び第2の光線b2の軌跡に囲まれる領域を、図9に示すように第1の領域A1とする。また、第2の入力偏向部36の傾斜面S24への入射角が最大となる入力側接合面S23への入射角度θv1My0の光束に含まれる第1の光線b1及び第2の光線b2の軌跡に囲まれる領域を、第2の領域A2とする。

0053

輝度ムラの低減化を図るためには、第1の領域A1から第2の領域A2までを画像光の光束で満たすことが好ましい。このような条件を満たすためには、第1の領域A1及び第2の領域A2を含むより広い領域A3に対向する傾斜面S14を有し、且つ第1の領域A1及び第2の領域A2の全体に射出瞳を投影することが望ましい。

0054

なお、第1の伝播光学系21は、図9に示した領域A3を画像光で満たすように投影部16の射出瞳をy方向に拡大して、画像光を第2の伝播光学系22に入射させる。

0055

次に、第3の伝播光学系23の第3の入力偏向部46のサイズについて、図5及び図10を参照して説明する。第3の伝播光学系23によりy方向にコピーされる射出瞳には、第3の導光部45の第2の平面S32の射出領域(投影領域PA)内の観察位置及び物体高に応じた画像光の角度によっては輝度ムラが生じ得る。輝度ムラを低減化するためには、第2の伝播光学系22と同様に、第3の入力偏向部46で反射されて第3の導光部45に入射される画像光によって第3の出力偏向部47が満たされることが好ましい。

0056

第2の伝播光学系22の場合と同様、図5において、第3の入力偏向部46の傾斜面S34への入射角が最小となる入力側接合面S33へのy方向に沿った入射角度θh2mx0の光束に含まれる第1の光線b3及び第2の光線b4の軌跡に囲まれる領域を、図10に示すように第1の領域A4とする。また、第3の入力偏向部46の傾斜面S34への入射角が最大となる入力側接合面S33への入射角度θh2Mx0の光束に含まれる第1の光線b3及び第2の光線b4の軌跡に囲まれる領域を、第2の領域A5とする。

0057

輝度ムラの低減化を図るためには、第1の領域A4から第2の領域A5までを画像光の光束で満たすことが好ましい。このような条件を満たすためには、第1の領域A4及び第2の領域A5を含むより広い領域A6に対向する傾斜面S14を有し、且つ第1の領域A4及び第2の領域A5全体に射出瞳を投影することが望ましい。

0058

第1の伝播光学系21、第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23は、第1の領域A4及び第2の領域A5の全体に射出瞳を投影するため、第1の導光部25のy方向の長さ及び第2の導光部35のy方向の長さが、第3の入力偏向部46のy方向の長さより大きくなるように形成される。なお、第3の入力偏向部46のy方向の長さとは、当該第3の入力偏向部46の傾斜面S34のy方向に沿った長さである。

0059

さらに、第1の領域A4及び第2の領域A5の全体に射出瞳を投影するために、以下の条件を満たすように、第1の伝播光学系21、第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23は形成される。

0060

LCDパネル15において光軸からy方向にずれた画素に対応する光束、すなわち物体高に応じたy方向の角度成分を有する平行光束が、第1の伝播光学系21を経て第2の伝播光学系22に入射すると、図11に示すように、当該光束はx方向から当該角度成分に対応する角度だけ傾斜させた方向に伝播されながら、射出領域から第3の伝播光学系23に射出される。そのため、第2の導光部35の第2の出力偏向部37側の端部E2に平行光束が到達するとき、射出領域の一部の領域A7からは当該光束は射出されない。それゆえ、第3の伝播光学系23において、第3の入力偏向部46の入力側接合面S33の第1の領域A4及び第2の領域A5の全体に射出瞳を投影するには、図11において第2の伝播光学系22の端部E2に到達した平行光束が、第3の伝播光学系23の第3の入力偏向部46の入力側接合面S33の第1の領域A4及び第2の領域A5の全体に重なることが必要である。両者が重なる条件について、以下に説明する。

0061

図12に示すように、第2の伝播光学系22において、第1の伝播光学系21を経て物体高に応じたy方向の角度成分を有する平行光束が入射した場合の、当該光束の重心の第2の平面S22への射影と、x方向に平行な直線とのなす角をφとすると、当該光束が端部E2に到達したときのy方向に沿ったシフト量Sは(3)式により算出される。

0062

0063

第2の導光部35は前述のように平行平板状に形成されているため、x方向及びy方向の伝播角度は第2の導光部35内で保存される。それゆえ、図12において、第2の導光部35内で反射によって折り返された線分LS1を、擬似的に直線状に延ばして、x方向における伝播位置に対するy方向のシフト量を算出可能である。そこで、シフト量Sと、物体高に応じた画像光の角度との関係をより平易にするために、第2の導光部35内の反射によりx方向に伝播される光線の軌跡を直線状に延ばして、説明する。

0064

物体高に応じたy方向の角度成分を有する平行光束の重心となる光線は、第2の入力偏向部36から第2の導光部35内に入射した始点SPを通り、端部E2に到達するまでの光線を直線状に延ばした軌跡は、終点EP到達する。終点EPからx方向の逆側に向かって延び、長さがWx3である直線L1を1つの辺とし、軌跡の始点SP及び終点EPを1つの辺とする直角三角形RT1の始点SPにおける頂角θv1は、(4)式を満たす。

0065

0066

(4)式において、θは、画像光における物体高に応じたy方向の角度成分の第2の導光部35内における入射角のy方向の角度成分と第2の入力偏向部36の傾斜面S14の法線とのなす角度である。また、φは、画像光における物体高に応じたy方向の角度成分の第2の導光部35内における入射角のy方向の角度成分とz方向に平行な直線とのなす角である。φが小さい範囲においては、cosφは1に近似されるので、θv1はθに近似される。

0067

また、終点EPからy方向に向かって延び、長さがSである直線L2を1つの辺とし、軌跡の始点SP及び終点EPを1つの辺とする直角三角形RT2の始点SPにおける頂角θh1は、画像光における物体高に応じたx方向の角度成分の第2の導光部35内における入射角のx方向成分である。

0068

始点SPと終点EPとを結んだ線分を、



とすると、第2の導光部35の射出領域のx方向の長さWx3は、(5)式により算出される。また、シフト量Sは、(6)式により算出される。

0069

0070

したがって、(3)式におけるtanφ(=S/Wx1)を(5)、(6)式により算出すると、(7)式が得られる。

0071

0072

(7)式から、シフト量Sは画像光の物体高に応じた角度に依存し、θv1が小さいほど、及び/又はθh1が大きいほど、大きくなる。したがって、LCDパネル15及び第1の伝播光学系21の構成により定まるθv1の最小値をθv1m、θh1の最大値をθh1Mとすると、最大のシフト量SMは、(8)式により算出される。

0073

0074

図13に示すように、第2の伝播光学系22の第2の入力偏向部36から第2の導光部35に射出される平行光束は、第2の出力偏向部37側の端部E2においてy方向に沿った両方向に最大でSMの大きさでシフトする。したがって、第2の入力偏向部36に入射する射出瞳のy方向の光束幅をPy、第3の伝播光学系23の第3の入力偏向部46の入力側接合面S33に入射させる光束を満たすべき領域のy方向の幅をByyとすると、第3の伝播光学系23の射出領域において観察する画像光の輝度ムラを低減させるためには、(9)式を満たすことが好ましい。

0075

0076

また、第2の伝播光学系22のy方向の長さWy2は、y方向の光束幅Pyである光束の全領域を受光するために、(10)式を満たすことが求められる。

0077

0078

Byyは、第2の伝播光学系22におけるBxxと同様に、(11)式により算出される。

0079

0080

(10)式に、(8)式及び(11)式を代入すると、(12)式が得られる。

0081

0082

(12)式を満たすように、第1の入力偏向部25及び第2の入力偏向部35のサイズを設計し、形成することにより、第3の伝播光学系23における第2の平面S32の射出領域内の観察位置及び物体高に応じた画像光の角度による輝度ムラを低減することが可能となる。

0083

本実施の形態に係る表示装置10によれば、投影光学系11の射出瞳が第1の伝播光学系21によりy方向に拡大される。したがって、例えばレンチキュラレンズシリンドリカルレンズ等を用いてx方向よりもy方向の光束幅が長い矩形の画像光を得る場合に比べて、投影光学系11の小型化が図れ、表示装置10の小型化・薄型化が容易にできる。また、第1の伝播光学系21によりy方向に拡大されて射出される画像光のy方向の光束幅、及び第1の伝播光学系21からの画像光が入射される第2の伝播光学系22の第2の導光部35のy方向の長さが、第3の伝播光学系23の第3の入力偏向部46のy方向の長さより大きい。したがって、第3の伝播光学系23から観察される画像光における輝度ムラを低減することが可能となる。また、第2の伝播光学系22による光束拡大方向が、第1の伝播光学系21及び第3の伝播光学系23によるそれぞれの光束拡大方向と直交しているので、投影光学系11の射出瞳を効率よく拡大することが可能となる。また、投影光学系11は、第3の伝播光学系23における画像光の射出面とほぼ平行に延在して配置されているので、表示装置10をより小型化・薄型化することが可能となる。

0084

また、第1の伝播光学系21、第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23は、(12)式を満たすように構成されているので、第3の伝播光学系23から観察される画像光における輝度ムラをさらに低減することが可能となる。

0085

(第2実施の形態)
本発明の第2実施の形態においては、第1実施の形態に係る表示装置10において、第1の伝播光学系21、第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23を構成する第1の出力偏向部27、第2の出力偏向部37及び第3の出力偏向部47の各々が、ビームスプリット膜及びプリズムアレイを有して構成される点が主として異なる。

0086

図14は、第2実施の形態に係る表示装置における第1の伝播光学系21の概略構成を示す図である。図14において、第1の導光部25は、互いに平行且つ対向する第1の平面S11及び第2の平面S12を有する透過性を有する平行平板状の例えば石英からなり、y方向に延在する。第1の出力偏向部27は、第1の導光部25の第1の平面S11上で、第1の入力偏向部26が接合された領域を除く領域に接合される。

0087

第1の出力偏向部27は、ビームスプリット膜51と、出力側接合面S15及び三角プリズムアレイが形成された三角プリズムアレイ面S16を板面とする透過性を有する板状透明部材52とを含む。ビームスプリット膜51は、例えば第1の導光部25の第1の平面S11上に蒸着により形成される。第1の導光部25が石英からなる場合は、ビームスプリット膜51を蒸着させる際の加熱に対して耐熱性を有するので、膜応力に対して反りにくくなる利点を有する。板状透明部材52は、出力側接合面S5において透明接着剤によりビームスプリット膜51に接合される。なお、後述するように、ビームスプリット膜51は、入射領域側に僅かに食み出すよう形成されることが好ましい。

0088

ビームスプリット膜51は、実質的に垂直な方向から入射する光を透過し、斜方から入射する光の大部分を反射し、残りを透過するように設計された多層膜からなる。このような多層膜は、ローパス型またはバンドパス型分光反射特性を有する。

0089

従来知られているように、薄膜において入射角に応じて分光曲線が波長(λ)方向にシフトする。図15に示すように、略垂直入射光に対する分光曲線(破線)は、斜入射光に対する分光曲線(実線)から、長波長側にΔλシフトする。したがって、ビームスプリット膜51は、斜入射光に対する分光曲線と、略垂直入射光に対する分光曲線との両者のカットオフ波長に挟まれ、斜入射光に対して反射率が95%、略垂直入射光に対して反射率が0%となるように、入射光束Lxの波長λ及び薄膜の設定を組み合わせることで形成可能となる。

0090

また、ビームスプリット膜51は、第1の導光部25における画像光の導光方向に沿った位置に応じて、斜入射光に対する透過率が変動する特性を有する。したがって、好ましくは、ビームスプリット膜51は、例えば図16に示すように、第1の入力偏向部26側の一端からの距離に応じて等比級数的に透過率が増加するように形成される。蒸着によってこのような膜を形成するには、例えば蒸着源からの距離が第1の入力偏向部26からの平面状の距離に応じて変化するように配置し、その距離の差(製膜される膜厚の差)によるそれぞれの位置において所望の反射特性を持つように予め設計することにより、成膜可能である。

0091

図14において、第1の導光部25の第2の平面S22には、反射防止膜31が形成される。反射防止膜31は垂直な方向から入射する画像光の反射を抑制する。反射防止膜31は、膜応力がビームスプリット膜51の膜応力とつり合うように形成される。膜応力をつりあわせることにより、第1の伝播光学系21の歪みを抑制し、画像光の良好な伝播に寄与可能である。

0092

第1の出力偏向部27を構成する板状透明部材52は、例えば3mmの厚さを有するアクリルによって形成される。板状透明部材52に形成される三角プリズムアレイは微細であり、射出成型により形成される。それゆえ、射出成型可能な透明媒体としてアクリルが例として選択される。三角プリズムアレイ面S16にはアルミが蒸着され、反射膜として機能する。本実施の形態において、三角プリズムアレイは、アクリルによって形成される構成であるが、アクリル樹脂に限定されない。ただし、ビームスプリット膜51のように一方向の偏光方向に特性を有する膜と平面において接合する場合、材料内部で複屈折の発生を抑制可能な材料及び成形条件を考慮することが好ましい。

0093

第1の出力偏向部27における三角プリズムアレイ面S16には、第1の導光部25における画像光の伝播方向(y方向)と直交する方向(x方向)に延在する複数の三角プリズム53が形成される。複数の三角プリズム53は、第1の導光部25における画像光の伝播方向(y方向)に沿って、例えば0.9mmのピッチ鋸歯状に形成される。

0094

各三角プリズム53の、出力側接合面S15に対する傾斜面S17の傾斜角は、第1の入力偏向部26の傾斜面S14とは反対向き、すなわち傾斜面S17の法線は第1の導光部25の入射領域側に延びる。また、各三角プリズム53の傾斜角の絶対値は傾斜面S14の傾斜角と実質的に同じ、あるいは第1の入力偏向部26、第1の導光部25、及び第1の出力偏向部27の板状透明部材52の材料の組み合わせに応じて数度の範囲で異なる。なお、三角プリズムアレイ面S16内の隣り合うプリズムの角度差は、0.01°(0.5分)程度以下である。

0095

三角プリズム53の傾斜角は、第1の入力偏向部26の傾斜面S14の傾斜角と同様に、第1の導光部25の第2の平面S12における臨界角に基づいて定められる。本実施の形態において、三角プリズム53の傾斜角度は、例えば25°である。その他の構成は、第1実施の形態における第1の伝播光学系21と同様である。

0096

図14に示した第1の伝播光学系21において、第2の平面S12の入射領域に垂直に入射した光束Lxは、第1の入力偏向部26の傾斜面S14で反射され、第1の導光部25の内部で第2の平面S12の射出領域に斜方から入射する。斜方から入射した光束Lxは第2の平面S12に臨界角を超える角度で入射して全反射される。全反射された光束Lxは、ビームスプリット膜51に斜方から入射し、所定の割合の光量だけ透過し、残りの光量は反射される。ビームスプリット膜51で反射された光束Lxは、再び第2の平面S12に臨界角を超える角度で入射して全反射される。以後、ビームスプリット膜51における一部反射と、第2の平面S12における全反射とを繰返しながら、光束Lxは第1の導光部25のy方向に伝播される。

0097

光束Lxは、ビームスプリット膜51に斜入射するたびに、所定の割合で透過して三角プリズム53に入射する。三角プリズム53に入射された光束Lxは、三角プリズム53の傾斜面S17の反射膜により再び第1の導光部25の第2の平面S12に垂直な方向に偏向される。第2の平面S12に垂直な方向に偏向された光束Lxは、ビームスプリット膜51を実質的に100%の透過率で透過し、第2の平面S12から外部に射出される。

0098

第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23についても、図14に示した第1の伝播光学系21と同様に構成される。

0099

本実施の形態に係る表示装置によれば、第1実施の形態と同様の効果が得られる。また、本実施の形態によれば、第1の伝播光学系21の第1の入力偏向部26の端面E1、すなわち第1の入力偏向部26と第1の出力偏向部27を構成する板状透明部材52との界面が黒色に色付けられ、且つビームスプリット膜51が入射領域側に僅かに食み出ている。第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23についても、同様である。したがって、輝度の高い迷光及び輝度ムラの発生が抑制される。以下、第1の伝播光学系21を例にとって説明する。

0100

第1の伝播光学系21においては、ビームスプリット膜51を透過した光のみを、第1の出力偏向部27内に進入させることにより、輝度の高い迷光及び輝度ムラの発生が抑制される。

0101

一方で、図17に示すように、第1の入力偏向部26及び第1の出力偏向部27の界面が光を透過可能である場合には、ビームスプリット膜51を透過すること無く、第1の入力偏向部26から第1の出力偏向部27に光が直接進入し得る。それゆえ、本実施の形態では、図18に示すように、第1の入力偏向部26及び第1の出力偏向部27の界面に黒色の塗料層54が形成される。これにより、第1の入力偏向部26から第1の出力偏向部27への光の直接の進入が防がれ、輝度の高い迷光及び輝度ムラの発生が抑制される。

0102

また、図18に示すように、塗料層54とビームスプリット膜51との間に隙間があると、当該隙間を透過して、ビームスプリット膜51を透過せずに、画像光が板状透明部材52に進入し得る。そこで、本実施の形態においては、ビームスプリット膜51を僅かに入射領域側に食み出させる。これにより、塗料層54とビームスプリット膜51との間の隙間が形成されるのを低減化する製造公差が与えられ、輝度の高い迷光及び輝度ムラの発生を抑制可能となる。

0103

また、本実施の形態の表示装置によれば、第1の入力偏向部26は、単一の傾斜面S14を有する単一のプリズムによって構成されているので、第1の出力偏向部27のプリズムアレイのように各プリズム部分の全面に入射して反射する光の中で、第1の出力偏向部27側のプリズム部分の側壁によるケラレが生じない。それゆえ、光の効率的な利用が可能である。また、本実施の形態では、プリズムアレイにおけるケラレの生じる光束幅の分だけ、第1の入力偏向部26に入射させる光のx方向の幅を狭小することが可能である。

0104

(第3実施の形態)
本発明の第3実施の形態においては、第1実施の形態に係る表示装置10において、投影光学系11を構成する光源部13が、例えば波長532nmのG光を射出する単一のレーザ光源からなる。また、第1の伝播光学系21、第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23を構成する第1の出力偏向部27、第2の出力偏向部37及び第3の出力偏向部47の各々は、ビームスプリット膜及びグレーティングを有して構成される。

0105

図19は、第3実施の形態に係る表示装置における第1の伝播光学系21の概略構成を示す図である。図19において、第1の導光部25は、互いに平行且つ対向する第1の平面S11及び第2の平面S12を有する透過性を有する平行平板状の例えば石英からなり、y方向に延在する。第1の出力偏向部27は、第1の導光部25の第1の平面S11上で、第1の入力偏向部26が接合された領域を除く領域に接合される。

0106

第1の出力偏向部27は、ビームスプリット膜61とグレーティング62とを有する。ビームスプリット膜61は、例えば第1の導光部25の第1の平面S11上に蒸着により形成される。ビームスプリット膜61は、第2実施の形態におけるビームスプリット膜51と同様に構成される。グレーティング62は、例えば石英等の光学基板63上に溝本数2000本/mmで形成される。グレーティング62上には、例えばアクリル等の透明な樹脂からなる保護層64が形成される。保護層64は、グレーティング62と反対側の面において、透明接着剤等を介してビームスプリット膜61に接着される。なお、グレーティング62は、斜入射するG光の1次回折光が第2の平面S12にほぼ垂直方向に反射されるように、例えばブレーズ化されて形成される。その他の構成は、第2実施の形態における第1の伝播光学系21と同様である。

0107

図19に示した第1の伝播光学系21において、第2の平面S12の入射領域に垂直に入射した光束Lxは、第1の入力偏向部26の傾斜面S14で反射され、第1の導光部25の内部で第2の平面S12の射出領域に斜方から入射する。斜方から入射した光束Lxは第2の平面S12に臨界角を超える角度で入射して全反射される。全反射された光束Lxは、ビームスプリット膜61に斜方から入射し、所定の割合の光量だけ透過し、残りの光量は反射される。ビームスプリット膜61で反射された光束Lxは、再び第2の平面S12に臨界角を超える角度で入射して全反射される。以後、ビームスプリット膜61における一部反射と、第2の平面S12における全反射とを繰返しながら、光束Lxは第1の導光部25のy方向に伝播される。

0108

光束Lxは、ビームスプリット膜61に斜入射するたびに、所定の割合で透過してグレーティング62に入射する。グレーティング62に入射された光束Lxは、1次回折光が第2の平面S12にほぼ垂直方向に射出される。第2の平面S12に垂直な方向に偏向された1次回折光の光束Lxは、ビームスプリット膜61を実質的に100%の透過率で透過し、第2の平面S12から外部に射出される。

0109

第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23についても、図19に示した第1の伝播光学系21と同様に構成される。

0110

本実施の形態に係る表示装置によれば、第1実施の形態及び第2実施の形態と同様の効果が得られる。また、グレーティング62により画像光を回折させて取り出すので、画像光を効率よく取り出すことが可能となる。

0111

(第4実施の形態)
図20は、本発明の第4実施の形態に係る表示装置の概略構成を示す図で、図1AのB矢視図に対応している。本実施の形態に係る表示装置10は、上述した実施の形態において、投影光学系11の構成が異なるものである。投影光学系11は、光源部13、スキャンミラー18、投影部16、及び折り返しミラー17を含んで構成される。すなわち、図20に示す投影装置11は、図1A及び図1Bに示した光束拡大・拡散素子14及びLCDパネル15に代えて、スキャンミラー18を備える。また、光源部13は、z方向にレーザ光を射出するように配置される。

0112

スキャンミラー18は、例えばMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーで構成される。スキャンミラー18は、光源部13から射出されるレーザ光をラスタスキャンして投影部16に入射させる。光源部13は、投影する画像に基づいて、スキャンミラー18によるラスタスキャンに同期してレーザ光を変調して射出する。これにより、投影部16には、ラスタスキャンによる画像光が入射される。なお、本実施の形態においては、投影光学系11と第1の伝播光学系21との間の光路中偏光子を挿入してもよい。

0113

本実施の形態に係る表示装置によれば、光源部13からのレーザ光の変調と、スキャンミラー18によるラスタスキャンによって画像光を生成するので、図1A及び図1Bに示した光束拡大・拡散素子14及びLCDパネル15を用いる場合に比べて、投影光学系11のより小型化が可能となる。したがって、表示装置10の小型化・薄型化がより容易にできる利点がある。

0114

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに留意されたい。したがって、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、第1の伝播光学系21、第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23は、第1実施の形態〜第3の実施の形態で説明した構成のものを適宜組み合わせてもよい。ただし、第1の伝播光学系21、第2の伝播光学系22及び第3の伝播光学系23のうちの少なくとも1つが第3実施の形態で説明したグレーティングを有する構成からなる場合は、画像光を単色光とするとよい。また、図1Aに示したLCDパネル15は、透過型に限らず反射型のLCOSを用いてもよい。

0115

10表示装置
11投影光学系
12 瞳拡大光学系
13光源部
14 光束拡大・拡散素子
15LCDパネル
16投影部
17折り返しミラー
18スキャンミラー
21 第1の伝播光学系
22 第2の伝播光学系
23 第3の伝播光学系
25 第1の導光部
26 第1の入力偏向部
27 第1の出力偏向部
28、51、61ビームスプリット膜
35 第2の導光部
36 第2の入力偏向部
37 第2の出力偏向部
45 第3の導光部
46 第3の入力偏向部
47 第3の出力偏向部
53三角プリズム
62 グレーティング

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