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JP2025075128A - Virtual image display device and optical unit - Google Patents

Virtual image display device and optical unit Download PDF

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JP2025075128A
JP2025075128A JP2023186074A JP2023186074A JP2025075128A JP 2025075128 A JP2025075128 A JP 2025075128A JP 2023186074 A JP2023186074 A JP 2023186074A JP 2023186074 A JP2023186074 A JP 2023186074A JP 2025075128 A JP2025075128 A JP 2025075128A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
image light
optical system
partial
incident
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2023186074A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
高司 武田
Takashi Takeda
将行 ▲高▼木
Masayuki Takagi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2023186074A priority Critical patent/JP2025075128A/en
Publication of JP2025075128A publication Critical patent/JP2025075128A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

To address luminance unevenness in which a contrast difference with respect to a visual angle when viewing images with a virtual image display device.SOLUTION: A virtual image display device includes: a display panel that emits image light; a projection optical system that collimates the image light from the display panel; a light guide plate that guides the image light; an incident diffraction optical system that makes the image light from the projection optical system incident on the light guide plate; and an emission diffraction optical system that emits the image light from the light guide plate. The display panel includes a first partial display region and a second partial display region arranged with the center point of the display panel held therebetween. The image light emitted from the display panel includes first partial image light emitted from the first partial display region and second partial image light emitted from the second partial display region. Among incident surfaces of the incident diffraction optical system, a first incident area where the first partial image light enters is smaller than a second incident area where the second partial image light enters.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、虚像の観察を可能にする虚像表示装置及び光学ユニットに関する。 The present invention relates to a virtual image display device and an optical unit that enable the observation of a virtual image.

光学デバイスとして、第1導光体と、第2導光体と、第1回折光学素子と、第2回折光学素子とを有し、第1導光体は、第1光入射部と第1光出射部とを備え、第2導光体は、第2光入射部と第2光出射部とを備え、第1回折光学素子は、第2導光体の第2光出射部に設けられ、第2導光体の内部を導光した光の少なくとも一部を回折させて第2導光体の外部に取り出し、第2回折光学素子は、第1導光体の第1光出射部に設けられ、第1導光体の内部を導光した光の少なくとも一部及び第1回折光学素子で取り出された光の少なくとも一部を取り出し、第1導光体及び第2導光体に入射する入射光は、一部が第1光入射部から第1導光体の内部に入射して導光され、他の一部が第2光入射部から第2導光体の内部に入射して導光され、第2導光体の内部を導光する光は、第1導光体の内部を導光する光よりも長波長の光を多く含み、第2回折光学素子は、第1光入射部に近い側と、第1光入射部から遠い側とで、回折効率が異なる部分を含み、第1回折光学素子は、回折効率がほぼ一定であるものが公知となっている(特許文献1)。 The optical device includes a first light guide, a second light guide, a first diffractive optical element, and a second diffractive optical element, the first light guide having a first light entrance portion and a first light exit portion, the second light guide having a second light entrance portion and a second light exit portion, the first diffractive optical element is provided in the second light exit portion of the second light guide, and diffracts at least a portion of the light guided inside the second light guide to extract it to the outside of the second light guide, the second diffractive optical element is provided in the first light exit portion of the first light guide, and diffracts at least a portion of the light guided inside the first light guide and extracted by the first diffractive optical element. At least a portion of the light incident on the first light guide and the second light guide is extracted, a portion of the light incident on the first light guide enters the first light guide from the first light entrance section and is guided, and another portion enters the second light guide from the second light entrance section and is guided, the light guided inside the second light guide contains more light with longer wavelengths than the light guided inside the first light guide, the second diffractive optical element includes a portion with different diffraction efficiency between the side closer to the first light entrance section and the side farther from the first light entrance section, and the first diffractive optical element has a generally constant diffraction efficiency (Patent Document 1).

特開2015-049376号公報JP 2015-049376 A

上記特許文献1に示される光学デバイスでは、各入力格子へは映像光の全画角が入射するため、画角ごとに回折効率が変化してしまう。つまり、映像を見た時に画角に対する明暗が出てしまう輝度ムラを対策することができない。 In the optical device shown in Patent Document 1, the entire field angle of the image light is incident on each input grating, so the diffraction efficiency changes for each field angle. In other words, it is not possible to address the uneven brightness that occurs when viewing an image and the brightness varies with the field angle.

本発明の一側面における虚像表示装置及び光学ユニットは、映像光を射出する表示パネルと、表示パネルからの映像光をコリメートする投影光学系と、映像光を導光する導光板と、投影光学系からの映像光を導光板に入射させる入射回折光学系と、導光板からの映像光を出射させる出射回折光学系と、を備え、表示パネルは、第1表示領域と、第1部分表示領域から見て、装着者の両眼が並ぶ第1方向に配置され、第1部分表示領域と同じ面積及び同じ形状を有する第2部分表示領域と、を含み、表示パネルから射出される映像光は、第1表示領域から射出される第1部分映像光と、第2部分表示領域から射出される第2部分映像光と、を含み、入射回折光学系の入射面のうち、第1部分映像光が入射する第1入射面積は、第2部分映像光が入射する第2入射面積より小さい。 The virtual image display device and optical unit according to one aspect of the present invention include a display panel that emits image light, a projection optical system that collimates the image light from the display panel, a light guide plate that guides the image light, an incident diffraction optical system that causes the image light from the projection optical system to enter the light guide plate, and an exit diffraction optical system that emits the image light from the light guide plate. The display panel includes a first display area and a second partial display area that is disposed in a first direction in which the wearer's eyes are aligned as viewed from the first partial display area and has the same area and shape as the first partial display area. The image light emitted from the display panel includes a first partial image light emitted from the first display area and a second partial image light emitted from the second partial display area. Of the entrance surface of the entrance diffraction optical system, a first entrance area into which the first partial image light is incident is smaller than a second entrance area into which the second partial image light is incident.

第1実施形態であるHMDの装着状態を説明する図である。1A and 1B are diagrams illustrating a wearing state of an HMD according to a first embodiment. 虚像表示装置を構成する光学系の配置等を説明する側面図である。FIG. 2 is a side view for explaining the arrangement of an optical system that constitutes the virtual image display device. 虚像表示装置を構成する光学系の配置等を説明する平面図である。FIG. 2 is a plan view for explaining the arrangement of an optical system that constitutes the virtual image display device. 導光光学系又は導光部材を説明する部分透視背面図である。FIG. 4 is a partial perspective rear view illustrating a light-guiding optical system or a light-guiding member. 光学系について説明する平面図である。FIG. 2 is a plan view illustrating an optical system. 輝度ムラの発生について説明する平面図である。FIG. 11 is a plan view illustrating the occurrence of luminance unevenness. 入射回折層及び光学系の配置等を説明する平面図である。FIG. 2 is a plan view for explaining the arrangement of an incident diffraction layer and an optical system. 表示パネルから射出する光の出射方向を説明する側面図である。FIG. 4 is a side view illustrating the emission direction of light emitted from the display panel. マイクロレンズを用いた光の出射方向の変更を説明する側面図である。FIG. 11 is a side view illustrating a change in the light emission direction using a microlens. 投影光学系から入射回折層へ入射する光を説明する側面図である。1 is a side view illustrating light incident on an incident diffraction layer from a projection optical system. FIG. 入射回折層及び光学系の配置等を説明する平面図である。FIG. 2 is a plan view for explaining the arrangement of an incident diffraction layer and an optical system. 投影光学系から入射回折層へ入射する光を説明する側面図である。1 is a side view illustrating light incident on an incident diffraction layer from a projection optical system. FIG.

〔第1実施形態〕
以下、図1~3等を参照して、本発明に係る虚像表示装置100A,100Bの第1実施形態について説明する。
First Embodiment
Hereinafter, a first embodiment of virtual image display devices 100A and 100B according to the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は、頭部装着型表示装置(以下、ヘッドマウントディスプレイ又はHMDとも称する。)200の装着状態を説明する図であり、HMD200は、これを装着する観察者又は装着者USに虚像としての映像を認識させる。図1等において、X、Y、及びZは、直交座標系であり、+X方向は、HMD200を装着した観察者又は装着者USの両眼EYの並ぶ横方向に対応し、+Y方向は、装着者USにとっての両眼EYの並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、+Z方向は、装着者USにとっての前方向又は正面方向に相当する。±Y方向は、鉛直軸又は鉛直方向に平行になっている。 Figure 1 is a diagram for explaining the wearing state of a head-mounted display device (hereinafter also referred to as a head-mounted display or HMD) 200, in which the observer or wearer US wearing the HMD 200 recognizes an image as a virtual image. In Figure 1 etc., X, Y, and Z are Cartesian coordinate systems, with the +X direction corresponding to the lateral direction in which the eyes EY of the observer or wearer US wearing the HMD 200 are aligned, the +Y direction corresponding to the upward direction perpendicular to the lateral direction in which the eyes EY are aligned for the wearer US, and the +Z direction corresponding to the forward or front direction for the wearer US. The ±Y directions are parallel to the vertical axis or vertical direction.

HMD200は、左眼用の第1虚像表示装置100Aと、右眼用の第2虚像表示装置100Bと、虚像表示装置100A,100Bを支持するテンプル状の一対の支持装置100Cと、情報端末であるユーザー端末90とを備える。第1虚像表示装置100Aは、単独でHMDとして機能し、上部に配置される第1表示駆動部102aと、メガネレンズ状で眼前を覆う第1導光光学系103aとで構成される。第2虚像表示装置100Bも同様に、単独でHMDとして機能し、上部に配置される第2表示駆動部102bと、メガネレンズ状で眼前を覆う第2導光光学系103bとで構成される。支持装置100Cは、装着者USの頭部に装着される装着部材であり、外観上一体化されている表示駆動部102a,102bを介して一対の導光光学系103a,103bの上端側を支持している。第1虚像表示装置100Aと第2虚像表示装置100Bとは、光学的に左右反転させたものであり、第2虚像表示装置100Bについては、詳細な説明を省略する。 The HMD 200 includes a first virtual image display device 100A for the left eye, a second virtual image display device 100B for the right eye, a pair of temple-shaped support devices 100C that support the virtual image display devices 100A and 100B, and a user terminal 90 that is an information terminal. The first virtual image display device 100A functions as an HMD alone and is composed of a first display drive unit 102a arranged at the top and a first light guide optical system 103a that is shaped like a pair of glasses and covers the front of the eyes. The second virtual image display device 100B also functions as an HMD alone and is composed of a second display drive unit 102b arranged at the top and a second light guide optical system 103b that is shaped like a pair of glasses and covers the front of the eyes. The support device 100C is a mounting member that is mounted on the head of the wearer US, and supports the upper end side of the pair of light guide optical systems 103a and 103b via the display drive units 102a and 102b that are integrated in appearance. The first virtual image display device 100A and the second virtual image display device 100B are optically reversed from left to right, and a detailed description of the second virtual image display device 100B will be omitted.

図2は、第1虚像表示装置100Aの第1表示駆動部102aと第1導光光学系103aとを具体的に説明する側面図である。図3は、第1表示駆動部102aと第1導光光学系103aとを具体的に説明する平面図である。図4は、主に第1導光光学系103aを説明する背面図である。 Figure 2 is a side view specifically explaining the first display drive unit 102a and the first light guide optical system 103a of the first virtual image display device 100A. Figure 3 is a plan view specifically explaining the first display drive unit 102a and the first light guide optical system 103a. Figure 4 is a rear view mainly explaining the first light guide optical system 103a.

図2及び図3を参照して、第1表示駆動部102aは、映像光生成装置10と投影光学系20と駆動回路部材88とを備える。映像光生成装置10は、表示パネル11aを含む光学エンジンである。投影光学系20は、複数のレンズ素子21を含むコリメーターである。映像光生成装置10によって生成された映像光MLは、投影光学系20によってコリメートされ、導光部材50である第1導光光学系103aに結合される。駆動回路部材88は、表示パネル11aに表示動作を行わせる。なお、第1虚像表示装置100Aにおいて、駆動回路部材88を除いた光学的装置を、光学ユニット100と呼ぶ。第1虚像表示装置100Aは、映像光MLを装着者USの眼EYまで導くことで、装着者USに虚像を視認させる。 2 and 3, the first display drive unit 102a includes an image light generating device 10, a projection optical system 20, and a drive circuit member 88. The image light generating device 10 is an optical engine including a display panel 11a. The projection optical system 20 is a collimator including a plurality of lens elements 21. The image light ML generated by the image light generating device 10 is collimated by the projection optical system 20 and coupled to the first light guide optical system 103a, which is a light guide member 50. The drive circuit member 88 causes the display panel 11a to perform a display operation. In the first virtual image display device 100A, the optical device excluding the drive circuit member 88 is called the optical unit 100. The first virtual image display device 100A guides the image light ML to the eye EY of the wearer US, thereby allowing the wearer US to view a virtual image.

図4を参照して、第1導光光学系103aは、カラー表示を可能にする導光部材50であり、XY面に略平行に延びる。第1導光光学系103aは、導光板51aと、入射回折層51bと、瞳拡大格子層51eと、射出回折層51cとを有する。入射回折層51b、射出回折層51c、及び瞳拡大格子層51eは、映像光MLの波長に応じて回折を行うものである。入射回折層51bは、第1表示駆動部102aからのコリメートされた映像光MLを導光板51a内に導いて横方向に伝搬させ、瞳拡大格子層51eは、導光板51a中で横方向に伝搬する映像光MLの瞳サイズを拡大しつつ下方向に伝搬させ、射出回折層51cは、導光板51a中で下方向に伝搬する映像光MLの瞳サイズを拡大しつつ、眼EY(図2参照)が存在する内側に設定された瞳位置PP(図2参照)に向けて映像光MLを射出させる。 Referring to Fig. 4, the first light guide optical system 103a is a light guide member 50 that enables color display and extends approximately parallel to the XY plane. The first light guide optical system 103a has a light guide plate 51a, an incident diffraction layer 51b, a pupil enlargement grating layer 51e, and an exit diffraction layer 51c. The incident diffraction layer 51b, the exit diffraction layer 51c, and the pupil enlargement grating layer 51e diffract light in accordance with the wavelength of the image light ML. The input diffraction layer 51b guides the collimated image light ML from the first display driver 102a into the light guide plate 51a and propagates it laterally, the pupil enlargement lattice layer 51e propagates the image light ML propagating laterally in the light guide plate 51a downward while expanding the pupil size of the image light ML, and the output diffraction layer 51c expands the pupil size of the image light ML propagating downward in the light guide plate 51a while outputting the image light ML toward a pupil position PP (see FIG. 2) set inside where the eye EY (see FIG. 2) is located.

図5は、第1表示駆動部102aの光学系を説明する図である。第1表示駆動部102aにおいて、映像光生成装置10は、1つの表示パネル11aのみを含む。つまり、表示パネル11aは、RGBの3色の画素を含み、表示パネル11aにおいて、各色の画素が2次元的に配列されている。投影光学系20は、複数のレンズ素子21を含む。表示パネル11aと、投影光学系20とは、鏡筒30によって互いに位置決めされた状態で固定されている。鏡筒30は、図2に示すように、駆動回路部材88とともに、カバーを兼ねるホルダー71によって互いに位置決めされた状態で支持され、第1導光光学系103aに対して固定されている。 Figure 5 is a diagram explaining the optical system of the first display drive unit 102a. In the first display drive unit 102a, the image light generating device 10 includes only one display panel 11a. That is, the display panel 11a includes pixels of three colors, RGB, and the pixels of each color are arranged two-dimensionally in the display panel 11a. The projection optical system 20 includes a plurality of lens elements 21. The display panel 11a and the projection optical system 20 are fixed in a state in which they are positioned relative to each other by the lens barrel 30. As shown in Figure 2, the lens barrel 30 is supported together with the drive circuit member 88 in a state in which they are positioned relative to each other by the holder 71, which also serves as a cover, and is fixed to the first light guiding optical system 103a.

表示パネル11aは、虚像に対応する像を形成すべく、映像光MLを射出する表示素子又は表示デバイスである。具体的には、表示パネル11aは、例えばOLED(有機発光ダイオード、Organic Light Emitting Diode)、有機EL(有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence)、無機EL、LEDのような各種発光素子アレイのディスプレイであり、XY面に平行な2次元の表示面上に静止画又は動画を形成する。表示パネル11aは、発光素子14aを有する。発光素子14aは、基板上に多数の画素子をXY面に沿って2次元的に配列したものであり、表示パネル11aがOLEDのディスプレイである場合、発光素子14aを構成する各画素子は、基板側からの順で、陰極と電子輸送層と発光層とホール輸送層と透明電極層とを備える。 The display panel 11a is a display element or display device that emits image light ML to form an image corresponding to a virtual image. Specifically, the display panel 11a is a display of various light-emitting element arrays such as OLEDs (Organic Light Emitting Diodes), organic ELs (Organic Electro-Luminescence), inorganic ELs, and LEDs, and forms still or moving images on a two-dimensional display surface parallel to the XY plane. The display panel 11a has light-emitting elements 14a. The light-emitting elements 14a are a number of pixels arranged two-dimensionally along the XY plane on a substrate. When the display panel 11a is an OLED display, each pixel constituting the light-emitting element 14a includes, in order from the substrate side, a cathode, an electron transport layer, a light-emitting layer, a hole transport layer, and a transparent electrode layer.

表示パネル11aは、自発光型の映像光生成装置に限らず、LCDその他の光変調素子で構成され、当該光変調素子をバックグラウンドのような光源によって照明することによって画像を形成するものであってもよい。表示パネル11aとして、LCDに代えて、LCOS(Liquid crystal on silicon、LCoSは登録商標)や、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。 The display panel 11a is not limited to a self-luminous image light generating device, but may be composed of an LCD or other light modulation element, and may form an image by illuminating the light modulation element with a light source such as a background. Instead of an LCD, LCOS (Liquid crystal on silicon, LCoS is a registered trademark), a digital micromirror device, etc. may also be used as the display panel 11a.

投影光学系20は、入射する光をコリメートすなわち平行化するレンズ素子21として、第1レンズ21aと、第2レンズ21bとを含む。投影光学系20は、表示パネル11aの表示面11dから射出された映像光MLを所定の光線幅を有する状態にコリメートし、かつ画素位置に応じた傾斜角度状態として導光部材50に設けられた入射回折層51bに向けて射出する。投影光学系20は、樹脂又はガラス製の1つ以上のレンズ素子の他に、反射ミラー等の光学素子を含むものであってもよい。投影光学系20を構成する光学素子の光学面は、球面、非球面、及び自由曲面のいずれであってもよい。以降、映像光MLのうち、互いに異なる複数の発光素子14aから射出される光を、それぞれ、部分映像光ML0,ML1,ML2と呼ぶ場合がある。 The projection optical system 20 includes a first lens 21a and a second lens 21b as lens elements 21 that collimate, i.e., parallelize, the incident light. The projection optical system 20 collimates the image light ML emitted from the display surface 11d of the display panel 11a to a state having a predetermined light beam width, and emits the image light ML toward the incident diffraction layer 51b provided on the light guide member 50 in an inclination angle state according to the pixel position. The projection optical system 20 may include optical elements such as a reflecting mirror in addition to one or more lens elements made of resin or glass. The optical surfaces of the optical elements constituting the projection optical system 20 may be spherical, aspherical, or free-form. Hereinafter, the light emitted from the different light-emitting elements 14a of the image light ML may be referred to as partial image light ML0, ML1, and ML2, respectively.

図4に戻って、第1導光光学系103a又は導光部材50において、入射回折層51bは、入力回折光学素子DIであり、縦のY方向に直線的に延び横のX方向に周期的に繰り返す回折パターンで形成されている。射出回折層51cは、出力回折光学素子DOであり、横のX方向に直線的に延び縦のY方向に周期的に繰り返す回折パターンで形成されている。瞳拡大格子層51eは、瞳拡大回折光学素子DEであり、入射回折層51bの-X側に設けられて導光板51a内に導かれて全体として-X方向に進む映像光MLを全体として-Y方向に進むように光路を折り曲げる。 Returning to FIG. 4, in the first light guide optical system 103a or the light guide member 50, the incident diffraction layer 51b is an input diffractive optical element DI, which is formed with a diffraction pattern that extends linearly in the vertical Y direction and repeats periodically in the horizontal X direction. The exit diffraction layer 51c is an output diffractive optical element DO, which is formed with a diffraction pattern that extends linearly in the horizontal X direction and repeats periodically in the vertical Y direction. The pupil enlargement grating layer 51e is a pupil enlargement diffractive optical element DE, which is provided on the -X side of the incident diffraction layer 51b and is guided into the light guide plate 51a to bend the optical path of the image light ML that travels in the -X direction as a whole, so that it travels in the -Y direction as a whole.

導光板51aは、平行平板から形成された部材であり、XY面に平行に延びる一対の平面である内側全反射面51iと外側全反射面51oとを有する(図2参照)。 The light guide plate 51a is a member formed from a parallel plate and has an inner total reflection surface 51i and an outer total reflection surface 51o, which are a pair of flat surfaces extending parallel to the XY plane (see Figure 2).

入射回折層51b、射出回折層51c、及び瞳拡大格子層51eは、導光板51aの内側全反射面51i上に形成されている。 The incident diffraction layer 51b, the exit diffraction layer 51c, and the pupil enlargement grating layer 51e are formed on the inner total reflection surface 51i of the light guide plate 51a.

入射回折層51b、射出回折層51c、及び瞳拡大格子層51eは、映像光MLの波長に応じて回折を行うものであり、例えば表面レリーフ型の回折素子から形成される。表面レリーフ型の回折素子は、ナノインプリントによって形成されるが、これに限るものではなく、導光板51aの表面をエッチングすることによっても形成することができ、回折素子を貼り付けるようなものであってもよい。 The incident diffraction layer 51b, the exit diffraction layer 51c, and the pupil enlargement grating layer 51e diffract light according to the wavelength of the image light ML, and are formed, for example, from a surface relief type diffraction element. The surface relief type diffraction element is formed by nanoimprinting, but is not limited to this, and can also be formed by etching the surface of the light guide plate 51a, or a diffraction element can be attached.

瞳拡大格子層51eは、回折方向を入れ替えつつも、映像光MLの左右のX方向に関する角度情報や映像光MLの上下のY方向に関する角度情報が実質的に損なわれないようにする。瞳拡大格子層51eすなわち瞳拡大回折光学素子DEは、入射回折層51bである入力回折光学素子DIから導光板51a中に導かれた映像光MLを射出回折層51cである出力回折光学素子DOに導きつつ射出回折層51cの瞳を拡大する。より具体的には、瞳拡大格子層51eは、入射回折層51bと射出回折層51cとの間に介在して、入射回折層51bの回折方向(-X方向)に対して交差する方向(-Y方向)に映像光MLを導きつつ光線を分割するものであり、横方向の光線幅を拡大する役割を有する。瞳拡大格子層51eは、XY面に平行で斜めのDS2方向に直線的に延び、かつ、XY面に平行でDS2方向に垂直なDS1方向に周期的に繰り返す回折パターンで形成されている。DS1方向は、+Y方向に対して時計回りに45°回転させた方向となっており、-X方向と+Y方向との中間方向となっている。瞳拡大格子層51eに形成されたパターンのX方向及びY方向に関する格子周期又はピッチは、入射回折層51bに形成されたパターンのX方向に関する格子周期と一致し、かつ、射出回折層51cに形成されたパターンのY方向に関する格子周期と一致する。射出回折層51cは、-Y方向に映像光MLを導きつつ光線を分割するものであり、縦方向の光線幅を拡大する役割を有する。結果的に、図2に示す瞳位置PPに入射する映像光MLのX方向及びY方向の光線幅は射出回折層51cに対応する広がりを有するものとなり、瞳拡大格子層51e、射出回折層51c等を経て、縦方向及び横方向の瞳サイズが増加する。射出回折層51cからは、導光板51aに垂直な射出光軸OX(図2参照)を中心としてコリメートされた映像光MLが射出される。 The pupil enlargement grating layer 51e does not substantially impair the angular information of the image light ML in the left-right X direction or the vertical Y direction while switching the diffraction direction. The pupil enlargement grating layer 51e, i.e., the pupil enlargement diffractive optical element DE, guides the image light ML guided into the light guide plate 51a from the input diffractive optical element DI, which is the incident diffraction layer 51b, to the output diffractive optical element DO, which is the exit diffraction layer 51c, while enlarging the pupil of the exit diffraction layer 51c. More specifically, the pupil enlargement grating layer 51e is interposed between the incident diffraction layer 51b and the exit diffraction layer 51c, and divides the light beam while guiding the image light ML in a direction (-Y direction) intersecting the diffraction direction (-X direction) of the incident diffraction layer 51b, and has the role of expanding the width of the light beam in the horizontal direction. The pupil enlargement grating layer 51e is formed of a diffraction pattern that extends linearly in the oblique DS2 direction parallel to the XY plane and is periodically repeated in the DS1 direction parallel to the XY plane and perpendicular to the DS2 direction. The DS1 direction is rotated 45° clockwise with respect to the +Y direction, and is an intermediate direction between the -X direction and the +Y direction. The grating period or pitch in the X direction and the Y direction of the pattern formed in the pupil enlargement grating layer 51e is consistent with the grating period in the X direction of the pattern formed in the input diffraction layer 51b, and is consistent with the grating period in the Y direction of the pattern formed in the output diffraction layer 51c. The output diffraction layer 51c divides the light beam while guiding the image light ML in the -Y direction, and has a role of expanding the light beam width in the vertical direction. As a result, the light beam width in the X and Y directions of the image light ML incident on the pupil position PP shown in Figure 2 has an expansion corresponding to the exit diffraction layer 51c, and the pupil size in the vertical and horizontal directions increases through the pupil enlargement grating layer 51e, the exit diffraction layer 51c, etc. From the exit diffraction layer 51c, the image light ML is emitted, which is collimated around the exit optical axis OX (see Figure 2) perpendicular to the light guide plate 51a.

図6を参照して、導光板51aの内部で入射回折層51bから射出回折層51cまで導光された映像光MLに輝度ムラが発生することについて説明する。図6は、映像光生成装置10、投影光学系20としてのレンズ素子21、入射回折層51b、導光板51a、射出回折層51c、装着者の眼EYおよび映像光MLの、XZ方向における位置関係を、模式的に示す平面図である。ただし、図6では、説明を簡略化するために、映像光MLが入射回折層51bから射出回折層51cへ至る途中で映像光MLの伝搬方向を変更する瞳拡大格子層51eを省略しており、各構成要素の寸法を誇張して示している。 Referring to FIG. 6, the occurrence of luminance unevenness in the image light ML guided from the incident diffraction layer 51b to the exit diffraction layer 51c inside the light guide plate 51a will be described. FIG. 6 is a plan view that shows a schematic positional relationship in the XZ direction of the image light generating device 10, the lens element 21 as the projection optical system 20, the incident diffraction layer 51b, the light guide plate 51a, the exit diffraction layer 51c, the wearer's eye EY, and the image light ML. However, in FIG. 6, in order to simplify the explanation, the pupil enlargement grating layer 51e that changes the propagation direction of the image light ML on its way from the incident diffraction layer 51b to the exit diffraction layer 51c is omitted, and the dimensions of each component are exaggerated.

図6に示すように、投影光学系20からの映像光MLは、入射回折層51bで回折して導光板51aに入射し、導光板51aの外側全反射面51o及び内側全反射面51iで全反射しながら導光板51aに沿って導光され、射出回折層51cで回折して眼EYへ向けて出射する。 As shown in FIG. 6, the image light ML from the projection optical system 20 is diffracted by the input diffraction layer 51b and enters the light guide plate 51a, is guided along the light guide plate 51a while being totally reflected by the outer total reflection surface 51o and the inner total reflection surface 51i of the light guide plate 51a, is diffracted by the output diffraction layer 51c, and is emitted toward the eye EY.

ここで、映像光MLには、第1部分映像光ML1と、第2部分映像光ML2とが含まれる。第1部分映像光ML1及び第2部分映像光ML2は、表示パネル11aのうち、図5に示した第1部分表示領域111及び第2部分表示領域112から、それぞれ射出される。第1部分表示領域111は、表示パネル11aの中心点11cから見て、入射回折層51bから射出回折層51cへ向かう方向のうちの、装着者の両眼EYが並ぶ第1方向(±X方向)に平行な成分の方向(図6の場合は-X方向)に配置されている。第2部分表示領域112は、中心点11cから見て、第1部分表示領域111とは逆方向(図6の場合は+X方向)に配置されている。なお、図5と、図6の領域ER1とに示すように、表示パネル11aの表示面11dに直交し、かつ、中心点11cを通る仮想的な直線AX1は、入射回折層51bの中心点510を通る。なお、第1方向(±X方向)は、入射回折層51bを構成する回折パターンに含まれる複数の凸部が周期的に並ぶ方向であり、入射回折層51bから導光板51aに入射した映像光MLが瞳拡大格子層51eへ向かって導光される方向でもある。 Here, the image light ML includes a first partial image light ML1 and a second partial image light ML2. The first partial image light ML1 and the second partial image light ML2 are emitted from the first partial display area 111 and the second partial display area 112 shown in FIG. 5 of the display panel 11a. The first partial display area 111 is arranged in the direction of the component parallel to the first direction (±X direction) in which the wearer's both eyes EY are aligned (-X direction in the case of FIG. 6) from the center point 11c of the display panel 11a in the direction from the entrance diffraction layer 51b to the exit diffraction layer 51c. The second partial display area 112 is arranged in the opposite direction to the first partial display area 111 (+X direction in the case of FIG. 6) from the center point 11c. As shown in FIG. 5 and the region ER1 in FIG. 6, a virtual straight line AX1 that is perpendicular to the display surface 11d of the display panel 11a and passes through the center point 11c passes through the center point 510 of the incident diffraction layer 51b. The first direction (±X direction) is the direction in which the multiple convex portions included in the diffraction pattern that constitutes the incident diffraction layer 51b are periodically arranged, and is also the direction in which the image light ML that is incident on the light guide plate 51a from the incident diffraction layer 51b is guided toward the pupil enlargement grating layer 51e.

以降、第1部分映像光ML1及び第2部分映像光ML2の比較をより容易にするために、第1部分表示領域111及び第2部分表示領域112の面積が同じであり、中心点11cから第1部分表示領域111及び第2部分表示領域112までのそれぞれの距離が同じである場合について説明する。ここで、中心点11cは、表示パネル11aの表示面11dのうち、投影光学系20の光軸AX1が交わる点であってもよいし、表示パネル11aの頂点を結ぶ対角線の交点や、表示パネル11aの形状に基づいて求められる重心などとして規定される幾何学的中心であってもよいし、当該幾何学的中心から、表示パネル11aの表示面11dに含まれ第1方向(±X方向)に直交する方向(±Y方向)へ任意の距離だけ離れた点であってもよい。 Hereinafter, in order to make it easier to compare the first partial image light ML1 and the second partial image light ML2, a case will be described in which the areas of the first partial display area 111 and the second partial display area 112 are the same, and the distances from the center point 11c to the first partial display area 111 and the second partial display area 112 are the same. Here, the center point 11c may be a point on the display surface 11d of the display panel 11a where the optical axis AX1 of the projection optical system 20 intersects, or may be a geometric center defined as the intersection of diagonal lines connecting the vertices of the display panel 11a or the center of gravity obtained based on the shape of the display panel 11a, or may be a point included in the display surface 11d of the display panel 11a and separated from the geometric center by an arbitrary distance in a direction (±Y direction) perpendicular to the first direction (±X direction).

入射回折層51bに含まれる複数の凸部のそれぞれに注目すると、同一の表示パネル11aに含まれる2つの異なる表示領域111,112からそれぞれ射出される2つの部分映像光ML1,ML2が、入射回折層51bを構成する回折パターンのうち、同じ凸部で回折して導光板51aに入射するとき、該部分映像光ML1,ML2の入射回折層51bに対する入射角度は異なる。そして、2つの部分映像光ML1,ML2の入射回折層51bに対する入射角度が互いに異なるとき、該部分映像光ML1,ML2のそれぞれが導光板51aの内部で全反射するときの入射角AI1,AI2は互いに異なり、したがって反射角AR1,AR2も互いに異なる。つまり、入射回折層51bに入射する映像光MLに含まれる光の画角に応じて、導光板51aの内部で該光が全反射するときの入射角及び反射角は異なる。 Focusing on each of the multiple convex portions included in the incident diffraction layer 51b, when two partial image lights ML1 and ML2 emitted from two different display areas 111 and 112 included in the same display panel 11a are diffracted by the same convex portion of the diffraction pattern constituting the incident diffraction layer 51b and enter the light guide plate 51a, the angles of incidence of the partial image lights ML1 and ML2 with respect to the incident diffraction layer 51b are different. When the angles of incidence of the two partial image lights ML1 and ML2 with respect to the incident diffraction layer 51b are different from each other, the angles of incidence AI1 and AI2 at which the partial image lights ML1 and ML2 are totally reflected inside the light guide plate 51a are different from each other, and therefore the angles of reflection AR1 and AR2 are also different from each other. In other words, the angles of incidence and the angles of reflection at which the light is totally reflected inside the light guide plate 51a are different depending on the angle of view of the light included in the image light ML incident on the incident diffraction layer 51b.

具体的には、図6の例に示すように、射出回折層51cにより近い方向から入射回折層51bへ入射する第1部分映像光ML1が、外側全反射面51o及び内側全反射面51iで全反射するときの第1入射角AI1及び第1反射角AR1は、射出回折層51cからより離れた方向から入射回折層51bへ入射する第2部分映像光ML2が、外側全反射面51o及び内側全反射面51iで全反射するときの第2入射角AI2及び第2反射角AR2より、それぞれ小さい。 Specifically, as shown in the example of FIG. 6, the first angle of incidence AI1 and the first reflection angle AR1 when the first partial image light ML1 incident on the incident diffraction layer 51b from a direction closer to the exit diffraction layer 51c is totally reflected by the outer total reflection surface 51o and the inner total reflection surface 51i are smaller than the second angle of incidence AI2 and the second reflection angle AR2 when the second partial image light ML2 incident on the incident diffraction layer 51b from a direction farther away from the exit diffraction layer 51c is totally reflected by the outer total reflection surface 51o and the inner total reflection surface 51i.

部分映像光ML1,ML2が導光板51aの内部で全反射を繰り返すときの入射角及び反射角が互いに異なるとき、導光板51aが延在する方向の単位長さごとに部分映像光ML1,ML2が全反射する回数も互いに異なる。そして、導光板51aの単位長さごとに部分映像光ML1,ML2が全反射する回数が互いに異なるとき、同じ射出回折層51cを構成する回折パターンのうち、部分映像光ML1,ML2が導光板51aの外部へ出射するときに回折させる凸部の総数も互いに異なる。つまり、入射回折層51bに入射する映像光MLに含まれる光の画角に応じて、導光板51aの内部で該光が全反射するときの入射角及び反射角は異なり、映像光MLが導光板51aから外部へ出射するときに映像光MLを回折させる射出回折層51cの凸部の総数も異なる。 When the partial image light ML1, ML2 repeats total reflection inside the light guide plate 51a at different angles of incidence and reflection, the number of times the partial image light ML1, ML2 is totally reflected per unit length in the direction in which the light guide plate 51a extends is also different. And when the number of times the partial image light ML1, ML2 is totally reflected per unit length of the light guide plate 51a is different, the total number of convex parts that diffract the partial image light ML1, ML2 when it is emitted to the outside of the light guide plate 51a among the diffraction patterns that constitute the same exit diffraction layer 51c is also different. In other words, depending on the angle of view of the light contained in the image light ML that enters the entrance diffraction layer 51b, the angle of incidence and the angle of reflection when the light is totally reflected inside the light guide plate 51a are different, and the total number of convex parts of the exit diffraction layer 51c that diffract the image light ML when it is emitted to the outside from the light guide plate 51a is also different.

具体的には、図6の例に示すように、射出回折層51cのうち、第1入射角AI1及び第1反射角AR1がより小さい第1部分映像光ML1が導光板51aの外部へ出射するときに回折させる凸部の総数は、第2入射角AI2及び第2反射角AR2がより大きい第2部分映像光ML2が導光板51aの外部へ出射するときに回折させる凸部の総数より多い。 Specifically, as shown in the example of FIG. 6, the total number of convex portions in the exit diffraction layer 51c that diffract the first partial image light ML1 having the smaller first incident angle AI1 and first reflection angle AR1 when it is emitted to the outside of the light guide plate 51a is greater than the total number of convex portions that diffract the second partial image light ML2 having the larger second incident angle AI2 and second reflection angle AR2 when it is emitted to the outside of the light guide plate 51a.

映像光MLが導光板51aから出射するとき、射出回折層51cのうち、該映像光MLに含まれる所定の画角の光を回折させる凸部の総数が多ければ多いほど、出射した該光の光量は増え、出射した映像光MLのうちの該光の輝度は高まる。その結果、映像光MLの輝度は、入射回折層51bに入射する映像光MLに含まれる光の画角に応じて異なる分布を有する。つまり、装着者USの眼EYから見ると、映像光MLの画角に応じて輝度ムラが発生する場合がある。 When the image light ML is emitted from the light guide plate 51a, the greater the total number of convex portions in the emission diffraction layer 51c that diffract the light at a specific angle of view contained in the image light ML, the greater the amount of the emitted light and the higher the brightness of the emitted image light ML. As a result, the brightness of the image light ML has a different distribution depending on the angle of view of the light contained in the image light ML that enters the entrance diffraction layer 51b. In other words, when viewed from the eye EY of the wearer US, brightness unevenness may occur depending on the angle of view of the image light ML.

本実施形態では、上述したような輝度ムラを低減させる1つの手法として、投影光学系20からの映像光MLが導光板51aに入射するとき、入射回折層51bを構成する回折パターンのうち、該映像光MLに含まれる光を回折させる凸部の総数が、該光の画角ごとに異なるように、投影光学系20及び入射回折層51bの位置関係を適宜に設定する。ここで、映像光MLに含まれる光を回折させる凸部の総数は、入射回折層51bの入射面のうちの、該光が入射する入射面積に比例する。 In this embodiment, as one method for reducing the brightness unevenness as described above, the positional relationship between the projection optical system 20 and the incident diffraction layer 51b is appropriately set so that when the image light ML from the projection optical system 20 is incident on the light guide plate 51a, the total number of convex parts that diffract the light contained in the image light ML in the diffraction pattern that constitutes the incident diffraction layer 51b varies for each angle of view of the light. Here, the total number of convex parts that diffract the light contained in the image light ML is proportional to the incident area of the incident surface of the incident diffraction layer 51b onto which the light is incident.

具体的には、図7の領域ER2に示すように、入射回折層51bから射出回折層51cへ向かう方向のうちの、第1方向(±X方向)に平行な方向成分である方向(-X方向)に、投影光学系20の光軸AX1を、入射回折層51bの中心から所定の距離Dにシフトするように、入射回折層51bに対する投影光学系20の位置を設定する。 Specifically, as shown in region ER2 of FIG. 7, the position of the projection optical system 20 relative to the incident diffraction layer 51b is set so that the optical axis AX1 of the projection optical system 20 is shifted a predetermined distance D from the center of the incident diffraction layer 51b in a direction (-X direction) that is a directional component parallel to the first direction (±X direction) of the direction from the incident diffraction layer 51b to the exit diffraction layer 51c.

その結果、投影光学系20からの映像光MLに含まれる光が入射回折層51bによって回折して導光板51aに入射するとき、入射回折層51bを構成する回折パターンのうち、該光を回折させる凸部の総数が、該映像光MLにおける該光の画角に応じて変わる。そして、該光を回折させた外凸部が多ければ多いほど、導光板51aの内部で導光される該光の光束幅は広い。つまり、投影光学系20からの映像光MLに含まれる部分映像光ML1,ML2の、第1方向(±X方向)における光束幅W1,W2は、該光の画角に応じて変わる。 As a result, when the light contained in the image light ML from the projection optical system 20 is diffracted by the incident diffraction layer 51b and enters the light guide plate 51a, the total number of convex portions that diffract the light in the diffraction pattern that constitutes the incident diffraction layer 51b changes depending on the angle of view of the light in the image light ML. The more external convex portions that diffract the light, the wider the beam width of the light guided inside the light guide plate 51a. In other words, the beam widths W1 and W2 in the first direction (±X direction) of the partial image lights ML1 and ML2 contained in the image light ML from the projection optical system 20 change depending on the angle of view of the light.

具体的には、図7に示すように、映像光MLに含まれる第1部分映像光ML1及び第2部分映像光ML2を比較すると、入射回折層51bを構成する回折パターンのうち、第1部分映像光ML1を回折させる凸部の総数より、第2部分映像光ML2を回折させる凸部の総数の方が多い。その結果、導光板51aの内部において、第1部分映像光ML1の光束幅W1より、第2部分映像光ML2の光束幅W2の方が広い。 Specifically, as shown in FIG. 7, when comparing the first partial image light ML1 and the second partial image light ML2 contained in the image light ML, the total number of convex portions that diffract the second partial image light ML2 is greater than the total number of convex portions that diffract the first partial image light ML1 in the diffraction pattern that constitutes the incident diffraction layer 51b. As a result, inside the light guide plate 51a, the light beam width W2 of the second partial image light ML2 is wider than the light beam width W1 of the first partial image light ML1.

その後、図6を参照して説明したように、第1部分映像光ML1及び第2部分映像光ML2が導光板51aから出射するとき、射出回折層51cを構成する回折パターンのうち、第1部分映像光ML1を回折させる凸部の総数より、第2部分映像光ML2を回折させる凸部の総数の方が多い。つまり、より狭い光束幅W1を有してより多い凸部で回折して出射する第1部分映像光ML1の輝度と、より広い光束幅W2を有してより少ない凸部で回折して出射する第2部分映像光ML2の輝度との差は、図5の構成と比較して、小さくなる。その結果、装着者USの眼EYにおける映像光MLの輝度ムラが低減される。 Then, as described with reference to FIG. 6, when the first partial image light ML1 and the second partial image light ML2 are emitted from the light guide plate 51a, the total number of convex portions that diffract the second partial image light ML2 is greater than the total number of convex portions that diffract the first partial image light ML1 in the diffraction pattern that constitutes the emission diffraction layer 51c. In other words, the difference in brightness between the first partial image light ML1 that has a narrower light beam width W1 and is diffracted by more convex portions and is emitted, and the second partial image light ML2 that has a wider light beam width W2 and is diffracted by fewer convex portions and is emitted, is smaller compared to the configuration of FIG. 5. As a result, the brightness unevenness of the image light ML in the eye EY of the wearer US is reduced.

〔第2実施形態〕
上述した第1実施形態では、映像光MLに含まれる光の、該光の画角に応じて発生する輝度ムラを低減するために、投影光学系20及び入射回折層51bの位置関係を適宜に設定することによって、映像光MLに含まれる光の光束幅を、該光の画角に応じて変化させる構成について説明した。本実施形態では、上述したような輝度ムラを低減する別の手法として、投影光学系20が映像光MLに含まれる光を射出する方向を、該光の画角に応じて変化させる。
Second Embodiment
In the above-described first embodiment, in order to reduce the brightness unevenness of the light contained in the image light ML that occurs depending on the angle of view of the light, the positional relationship between the projection optical system 20 and the incident diffraction layer 51b is appropriately set to change the beam width of the light contained in the image light ML depending on the angle of view of the light. In the present embodiment, as another method for reducing the brightness unevenness as described above, the direction in which the projection optical system 20 emits the light contained in the image light ML is changed depending on the angle of view of the light.

具体的には、まず、図8に示すように、表示パネル11aが映像光MLに含まれる光を射出する方向D0,D1,D2を、表示パネル11aに含まれる部分表示領域110,111,112のうち、第1方向(±X方向)における位置に応じて変化させる。より詳細には、表示パネル11aの表面を複数の部分表示領域110,111,112に分割管理し、部分表示領域110,111,112のいずれかを第1方向(±X方向)における基準となる基準表示領域110とする。基準表示領域110から映像光MLの光を射出する方向を、基準射出方向D0とする。一例として、基準射出方向D0は、表示パネル11aの表示面11dに直交する方向(+Z方向)であってもよい。第1方向(±X方向)において、基準表示領域110から見て入射回折層51bから射出回折層51cへ向かう第1シフト方向(-X方向)に配置された第1部分表示領域111が、映像光MLの光を射出する方向D1を、第1方向(±X方向)及び基準射出方向(+Z方向)を含む仮想平面(XZ平面)内で、基準射出方向(+Z方向)から基準表示領域110に近づく回転方向に所定の第1ティルト角度AT1だけ傾ける。また、第1方向(±X方向)において、基準表示領域110から見て射出回折層51cから入射回折層51bへ向かう第2シフト方向(+X方向)に配置された第2部分表示領域112が映像光MLの光を射出する方向を、第1方向(±X方向)及び基準射出方向(+Z方向)を含む仮想平面(XZ平面)内で、基準射出方向から基準表示領域110より遠ざかる回転方向に、所定の第2ティルト角度AT2だけ傾ける。このとき、第1レンズ21aからの第1部分映像光ML1が第2レンズ21bに入射する第1入射角度は、第1レンズ21aからの第2部分映像光ML2が第2レンズ21bに入射する第2入射角度より小さくなる。図8では、映像光MLのうち、基準表示領域110、第1部分表示領域111及び第2部分表示領域112から射出される光の強度分布PD0,PD1,PD2をそれぞれ示している。 Specifically, first, as shown in FIG. 8, the directions D0, D1, and D2 in which the display panel 11a emits the light contained in the image light ML are changed according to the position in the first direction (±X direction) of the partial display areas 110, 111, and 112 included in the display panel 11a. More specifically, the surface of the display panel 11a is divided and managed into a plurality of partial display areas 110, 111, and 112, and one of the partial display areas 110, 111, and 112 is set as the reference display area 110 that serves as a reference in the first direction (±X direction). The direction in which the light of the image light ML is emitted from the reference display area 110 is set as the reference emission direction D0. As an example, the reference emission direction D0 may be a direction (+Z direction) perpendicular to the display surface 11d of the display panel 11a. In a first direction (±X direction), a first partial display area 111 arranged in a first shift direction (-X direction) from the incident diffraction layer 51b to the exit diffraction layer 51c as viewed from the reference display area 110 tilts the direction D1 in which the light of the image light ML is emitted by a predetermined first tilt angle AT1 in a rotational direction approaching the reference display area 110 from the reference emission direction (+Z direction) within a virtual plane (XZ plane) including the first direction (±X direction) and the reference emission direction (+Z direction). In addition, in the first direction (±X direction), the direction in which the second partial display area 112 arranged in the second shift direction (+X direction) from the exit diffraction layer 51c toward the entrance diffraction layer 51b as viewed from the reference display area 110 emits the light of the image light ML is tilted by a predetermined second tilt angle AT2 in a rotation direction away from the reference emission direction from the reference display area 110 within a virtual plane (XZ plane) including the first direction (±X direction) and the reference emission direction (+Z direction). At this time, the first incident angle at which the first partial image light ML1 from the first lens 21a is incident on the second lens 21b is smaller than the second incident angle at which the second partial image light ML2 from the first lens 21a is incident on the second lens 21b. In FIG. 8, the intensity distributions PD0, PD1, and PD2 of the light emitted from the reference display area 110, the first partial display area 111, and the second partial display area 112 of the image light ML are shown, respectively.

このとき、基準表示領域110及び部分表示領域111,112のそれぞれに対応して配置される、第1レンズ21aとしてのマイクロレンズアレイに含まれるマイクロレンズの位置を、基準となる位置から第1方向に所定の距離だけシフトすることで、部分表示領域110,111,112のそれぞれが映像光MLの光を射出する方向を傾けることができる。ここで、マイクロレンズアレイとは、表示パネル11aに含まれる画素又は画素の集合としての基準表示領域110及び部分表示領域111,112のそれぞれに対向して配置されるマイクロレンズをアレイ状に配置して構成された光学素子である。つまり、マイクロレンズアレイは、表示パネル11aに含まれる複数の画素のそれぞれから射出される光の射出方向を、該複数の画素のそれぞれの表示パネル11aにおける位置に基づいて変更する射出方向変更光学系として機能する。それぞれのマイクロレンズは、マイクロレンズアレイとしての第1レンズ21aの後段に配置された第2レンズ21bとともに、対応する画素又は基準表示領域110及び部分表示領域111,112から出射する光をコリメートするように構成されている。 At this time, the position of the microlens included in the microlens array as the first lens 21a, which is arranged corresponding to each of the reference display area 110 and the partial display areas 111 and 112, can be shifted by a predetermined distance in the first direction from the reference position, so that the direction in which each of the partial display areas 110, 111, and 112 emits the light of the image light ML can be tilted. Here, the microlens array is an optical element configured by arranging microlenses in an array so as to face each of the reference display area 110 and the partial display areas 111 and 112 as pixels or a set of pixels included in the display panel 11a. In other words, the microlens array functions as an emission direction changing optical system that changes the emission direction of light emitted from each of the multiple pixels included in the display panel 11a based on the position of each of the multiple pixels on the display panel 11a. Each microlens, together with the second lens 21b arranged behind the first lens 21a as a microlens array, is configured to collimate the light emitted from the corresponding pixel or the reference display area 110 and the partial display areas 111 and 112.

具体的には、図9に示すように、基準表示領域110に対応するマイクロレンズ210を基準表示領域110の正面に配置し、第1部分表示領域111に対応するマイクロレンズ211を第1部分表示領域111の正面から第1シフト方向(-X方向)へ所定の第1シフト距離DS1だけシフトして配置し、第2部分表示領域112に対応するマイクロレンズ212を第2部分表示領域112の正面から第2シフト方向(+X方向)へ所定のシフト距離DS2だけシフトして配置する。その結果、映像光MLのうち、基準表示領域110から射出される光はマイクロレンズ210によって基準射出方向D0(+Z方向)へ第0部分映像光ML0として射出され、第1部分表示領域111から射出される光はマイクロレンズ211によって基準射出方向(+Z方向)から第1ティルト角度AT1だけ傾いた方向D1へ第1部分映像光ML1として射出され、第2部分表示領域112から射出される光はマイクロレンズ212によって基準射出方向(+Z方向)から第2ティルト角度AT2だけ傾いた方向D2へ第2部分映像光ML2として射出される。 Specifically, as shown in FIG. 9, a microlens 210 corresponding to the reference display area 110 is arranged in front of the reference display area 110, a microlens 211 corresponding to the first partial display area 111 is shifted a predetermined first shift distance DS1 from the front of the first partial display area 111 in a first shift direction (-X direction), and a microlens 212 corresponding to the second partial display area 112 is shifted a predetermined shift distance DS2 from the front of the second partial display area 112 in a second shift direction (+X direction). As a result, of the image light ML, the light emitted from the reference display area 110 is emitted by the microlens 210 in the reference emission direction D0 (+Z direction) as the 0th partial image light ML0, the light emitted from the first partial display area 111 is emitted by the microlens 211 in a direction D1 tilted by the first tilt angle AT1 from the reference emission direction (+Z direction) as the first partial image light ML1, and the light emitted from the second partial display area 112 is emitted by the microlens 212 in a direction D2 tilted by the second tilt angle AT2 from the reference emission direction (+Z direction) as the second partial image light ML2.

次に、図10に示すように、映像光MLの、部分表示領域111,112から異なる射出方向へ射出される部分映像光ML1,ML2は、投影光学系20の第2レンズ21bを通過してコリメートされ、入射回折層51bで回折して導光板51aに入射する。このとき、部分映像光ML1,ML2が入射回折層51bに到達するときの入射角が、マイクロレンズアレイとしての第1レンズ21aによって互いに異なるティルト角度AT1,AT2だけ傾けられているため、入射回折層51bを構成する回折パターンのうち、部分映像光ML1,ML2を回折する凸部の総数は互いに異なる。その結果、第1ティルト角度AT1,AT2又は第1シフト距離DS1及び第2シフト距離DS2を適宜に設定することにより、部分映像光ML1,ML2が基準射出方向に射出する場合と比較して、実施形態の場合と同様に、輝度ムラを低減することができる。 Next, as shown in FIG. 10, the partial image light ML1, ML2 emitted from the partial display areas 111, 112 in different emission directions of the image light ML is collimated by passing through the second lens 21b of the projection optical system 20, diffracted by the incident diffraction layer 51b, and enters the light guide plate 51a. At this time, the incident angles of the partial image light ML1, ML2 when they reach the incident diffraction layer 51b are tilted by different tilt angles AT1, AT2 by the first lens 21a as a microlens array, so that the total number of convex portions that diffract the partial image light ML1, ML2 in the diffraction pattern that constitutes the incident diffraction layer 51b is different from each other. As a result, by appropriately setting the first tilt angles AT1, AT2 or the first shift distance DS1 and the second shift distance DS2, it is possible to reduce the luminance unevenness as in the embodiment, compared to the case where the partial image light ML1, ML2 is emitted in the reference emission direction.

(変形例:より多くの部分表示領域)
上記の第2実施形態において、表示パネル11aを、基準表示領域110と、第1部分表示領域111及び第2部分表示領域112とに分割管理して、映像光MLのうち、これら3つの領域のそれぞれから射出される光をそれぞれ異なる方向に射出する場合の構成について説明した。この構成の変形例として、表示パネル11aを、より多くの部分表示領域に分割管理して、映像光MLのうち、該部分表示領域のそれぞれから射出される光をそれぞれ異なる方向に射出するように、マイクロレンズアレイとしての第1レンズ21aを構成してもよい。
(Variation: More partial display areas)
In the above-described second embodiment, a configuration has been described in which the display panel 11a is divided and managed into the reference display area 110, the first partial display area 111, and the second partial display area 112, and the light of the image light ML emitted from each of these three areas is emitted in a different direction. As a variation of this configuration, the display panel 11a may be divided and managed into more partial display areas, and the first lens 21a as a microlens array may be configured so that the light of the image light ML emitted from each of the partial display areas is emitted in a different direction.

(変形例:カラーフィルタシフト)
また、上記の構成のさらなる変形例として、マイクロレンズアレイの代わりにカラーフィルタアレイを用いてもよい。カラーフィルタアレイは、表示パネル11aが備える複数の画素のそれぞれに設けられた3つの副画素にR(赤色)成分、G(緑色)成分及びB(青色)成分の色情報を与えるカラーフィルタをアレイ状に配置して構成される。つまり、本変形例では、表示パネル11aは、複数の画素の各々について、映像光MLのうちのR成分、G成分及びB成分の光を個別に射出する複数の副画素を備える単板RGBパネルを備えている。複数の副画素は、単一のパネルに配列されてもよいが、これは一例にすぎず、本開示を限定しない。本変形例では、それぞれのカラーフィルタを、対応する副画素の正面に配置する代わりに、表示パネル11aにおける副画素の位置に応じて、第1シフト方向または第2シフト方向に所定のシフト距離だけシフトして配置することによって、映像光MLのうち、副画素のそれぞれが射出する光の射出方向を適宜に変更し、上記の第2実施形態の場合と同様に輝度ムラを低減することができる。
(Variation: Color Filter Shift)
As a further modification of the above configuration, a color filter array may be used instead of the microlens array. The color filter array is configured by arranging color filters in an array shape to provide color information of R (red), G (green) and B (blue) components to three sub-pixels provided in each of the plurality of pixels included in the display panel 11a. That is, in this modification, the display panel 11a includes a single-plate RGB panel including a plurality of sub-pixels that individually emit light of the R, G and B components of the image light ML for each of the plurality of pixels. The plurality of sub-pixels may be arranged on a single panel, but this is merely an example and does not limit the present disclosure. In this modification, instead of arranging each color filter in front of the corresponding sub-pixel, the color filter is shifted by a predetermined shift distance in the first shift direction or the second shift direction according to the position of the sub-pixel in the display panel 11a, thereby appropriately changing the emission direction of the light emitted by each sub-pixel in the image light ML, and the luminance unevenness can be reduced as in the case of the second embodiment described above.

(変形例:3枚の表示パネル)
上記の第2実施形態において、第1レンズ21aとしてマイクロレンズアレイを用い、マイクロレンズアレイに含まれる複数のマイクロレンズが、表示パネル11aに含まれる複数の画素又は複数の部分表示領域111,112にそれぞれ対応して配置される場合の構成について説明した。この構成の変形例として、映像光MLを射出する表示パネル11aを、三原色の成分をそれぞれ射出する3枚の表示パネルに置き換えてもよい。この場合、3枚の表示パネルのそれぞれに、同じ構成を有するマイクロレンズアレイを設けてもよい。また、3枚のマイクロレンズアレイと、射出回折層51cとの間に、映像光MLを構成する3色の成分を合成する合成光学系をさらに設けてもよい。
(Modification: Three Display Panels)
In the above second embodiment, a configuration has been described in which a microlens array is used as the first lens 21a, and a plurality of microlenses included in the microlens array are arranged corresponding to a plurality of pixels or a plurality of partial display areas 111, 112 included in the display panel 11a. As a modified example of this configuration, the display panel 11a that emits the image light ML may be replaced with three display panels that emit the three primary color components, respectively. In this case, a microlens array having the same configuration may be provided on each of the three display panels. In addition, a synthesis optical system that synthesizes the three color components that constitute the image light ML may be further provided between the three microlens arrays and the emission diffraction layer 51c.

〔第3実施形態〕
上述した第1実施形態では、装着者USの眼EYにおける映像光MLの輝度ムラを低減するために、入射回折層51bの中心に対する投影光学系20の光軸AX1の位置を、入射回折層51bから射出回折層51cへ向かう第1シフト方向(-X方向)へシフトする場合の構成について説明した。この構成の変形例として、入射回折層51bの中心に対する投影光学系20の光軸AX1の位置を、第1実施形態とは逆の方向に、射出回折層51cから入射回折層51bへ向かう第2シフト方向(+X方向)へシフトする場合でも、装着者USの眼EYにおける映像光MLの輝度ムラを低減できることについて説明する。
Third Embodiment
In the above-described first embodiment, a configuration has been described in which the position of the optical axis AX1 of the projection optical system 20 relative to the center of the incident diffraction layer 51b is shifted in a first shift direction (-X direction) from the incident diffraction layer 51b to the exit diffraction layer 51c in order to reduce the luminance unevenness of the image light ML in the eye EY of the wearer US. As a modified example of this configuration, a description will be given of a case in which the position of the optical axis AX1 of the projection optical system 20 relative to the center of the incident diffraction layer 51b is shifted in a second shift direction (+X direction) from the exit diffraction layer 51c to the incident diffraction layer 51b in the opposite direction to the first embodiment, so that the luminance unevenness of the image light ML in the eye EY of the wearer US can be reduced.

図11は、第1実施形態による第1表示駆動部102aの光学系を説明するための図5のうち、入射回折層51bに対する投影光学系20の位置を変更したものである。図11の領域ER3に示すように、本実施形態では、投影光学系20を、入射回折層51bの中心から見て第2シフト方向(+X方向)へ、適宜な距離Dだけシフトする。このとき、第1部分映像光ML1は、入射回折層51bで回折して導光板51aに入射し、導光板51aの外側全反射面51oで一度全反射し、さらに導光板51aの内側全反射面51iで全反射するときに、入射回折層51bの第2シフト方向側の端部に届く。このような条件が満たされるとき、入射回折層51bを構成する回折パターンのうち、第2部分映像光ML2を回折する凸部の総数は、第1部分映像光ML1を回折する凸部の総数より多くなる。その結果、第1実施形態の場合と同様に、導光板51aの内部で導光される映像光MLのうち、第2部分映像光ML2の光束幅が、第1部分映像光ML1の光束幅より広くなり、導光板51aから出射する映像光MLの輝度ムラが低減される。 11 is a diagram in which the position of the projection optical system 20 relative to the incident diffraction layer 51b is changed from that of FIG. 5 for explaining the optical system of the first display drive unit 102a according to the first embodiment. As shown in the region ER3 of FIG. 11, in this embodiment, the projection optical system 20 is shifted by an appropriate distance D in the second shift direction (+X direction) as viewed from the center of the incident diffraction layer 51b. At this time, the first partial image light ML1 is diffracted by the incident diffraction layer 51b and enters the light guide plate 51a, is totally reflected once by the outer total reflection surface 51o of the light guide plate 51a, and reaches the end of the incident diffraction layer 51b on the second shift direction side when it is totally reflected by the inner total reflection surface 51i of the light guide plate 51a. When such a condition is satisfied, the total number of convex parts that diffract the second partial image light ML2 in the diffraction pattern that constitutes the incident diffraction layer 51b is greater than the total number of convex parts that diffract the first partial image light ML1. As a result, as in the first embodiment, of the image light ML guided inside the light guide plate 51a, the luminous flux width of the second partial image light ML2 is wider than the luminous flux width of the first partial image light ML1, and the brightness unevenness of the image light ML emitted from the light guide plate 51a is reduced.

なお、本実施形態でも、第1実施形態の場合と同様に、第1部分映像光ML1は、図5などに示したように、表示パネル11aのうち、表示パネル11aの中心点11cから見て第1シフト方向(-X方向)に位置する第1部分表示領域111から出射される。また、第2部分映像光ML2は、図5などに示したように、表示パネル11aのうち、表示パネル11aの中心点11cから見て第2シフト方向(+X方向)に位置する第2部分表示領域112から出射される。 In this embodiment, as in the first embodiment, the first partial image light ML1 is emitted from the first partial display area 111 of the display panel 11a, which is located in the first shift direction (-X direction) when viewed from the center point 11c of the display panel 11a, as shown in FIG. 5 and other figures. The second partial image light ML2 is emitted from the second partial display area 112 of the display panel 11a, which is located in the second shift direction (+X direction) when viewed from the center point 11c of the display panel 11a, as shown in FIG. 5 and other figures.

〔第4実施形態〕
上述した第2実施形態では、装着者USの眼EYにおける映像光MLの輝度ムラを低減するために、投影光学系20が射出する映像光MLのうち、第1部分映像光ML1を射出する方向を、基準射出方向(+Z方向)から基準表示領域110に近づく回転方向に傾け、第2部分映像光ML2を射出する方向を、基準射出方向(+Z方向)から基準表示領域110より遠ざかる回転方向に傾ける場合の構成について説明した。この構成の変形例として、第1部分映像光ML1及び第2部分映像光ML2を射出する方向をそれぞれ第2実施形態とは逆の回転方向に傾ける場合でも、装着者USの眼EYにおける映像光MLの輝度ムラを低減できることについて説明する。
Fourth Embodiment
In the above-described second embodiment, in order to reduce the luminance unevenness of the image light ML in the eye EY of the wearer US, a configuration has been described in which the direction in which the first partial image light ML1 of the image light ML emitted by the projection optical system 20 is emitted is tilted from the reference emission direction (+Z direction) in a rotational direction approaching the reference display area 110, and the direction in which the second partial image light ML2 is emitted is tilted from the reference emission direction (+Z direction) in a rotational direction moving away from the reference display area 110. As a modified example of this configuration, a description will be given of the fact that the luminance unevenness of the image light ML in the eye EY of the wearer US can be reduced even when the directions in which the first partial image light ML1 and the second partial image light ML2 are emitted are each tilted in a rotational direction opposite to that in the second embodiment.

図12は、第2実施形態による部分映像光ML1,ML2を説明するための図10のうち、部分映像光ML1,ML2の射出方向を変更したものである。図12に示すように、本実施形態では、第1部分映像光ML1を射出する方向を、基準射出方向(+Z方向)から基準表示領域110より遠ざかる回転方向に傾け、第2部分映像光ML2を射出する方向を、基準射出方向(+Z方向)から基準表示領域110に近づく回転方向に傾ける。このとき、第1レンズ21aからの第1部分映像光ML1が第2レンズ21bに入射する第1入射角度は、第1レンズ21aからの第2部分映像光ML2が第2レンズ21bに入射する第2入射角度より大きくなる。ここで、さらに、図10に示した構成から、第2レンズ21bの形状および位置を適宜に変更すると、入射回折層51bを構成する回折パターンのうち、第2部分映像光ML2を回折する凸部の総数は、第1部分映像光ML1を回折する凸部の総数より多くなる。その結果、第2実施形態の場合と同様に、導光板51aの内部で導光される映像光MLのうち、第2部分映像光ML2の光束幅が、第1部分映像光ML1の光束幅より広くなり、導光板51aから出射する映像光MLの輝度ムラが低減される。 Figure 12 is an example of Figure 10 for explaining the partial image light ML1, ML2 according to the second embodiment, in which the emission directions of the partial image light ML1, ML2 are changed. As shown in Figure 12, in this embodiment, the emission direction of the first partial image light ML1 is tilted from the reference emission direction (+Z direction) to a rotation direction away from the reference display area 110, and the emission direction of the second partial image light ML2 is tilted from the reference emission direction (+Z direction) to a rotation direction approaching the reference display area 110. At this time, the first incident angle at which the first partial image light ML1 from the first lens 21a is incident on the second lens 21b is larger than the second incident angle at which the second partial image light ML2 from the first lens 21a is incident on the second lens 21b. Here, by further changing the shape and position of the second lens 21b from the configuration shown in FIG. 10, the total number of convex portions that diffract the second partial image light ML2 in the diffraction pattern that constitutes the incident diffraction layer 51b becomes greater than the total number of convex portions that diffract the first partial image light ML1. As a result, as in the second embodiment, the light beam width of the second partial image light ML2 in the image light ML guided inside the light guide plate 51a becomes wider than the light beam width of the first partial image light ML1, and the brightness unevenness of the image light ML emitted from the light guide plate 51a is reduced.

なお、本実施形態でも、第2実施形態の場合と同様に、第1部分映像光ML1は、図5などに示したように、表示パネル11aのうち、表示パネル11aの中心点11cから見て第1シフト方向(-X方向)に位置する第1部分表示領域111から出射される。また、第2部分映像光ML2は、図5などに示したように、表示パネル11aのうち、表示パネル11aの中心点11cから見て第2シフト方向(+X方向)に位置する第2部分表示領域112から出射される。ただし、本実施形態では、図9に示したマイクロレンズ211,212を、部分表示領域111,112の中心から第1シフト方向(-X方向)にシフトすることによって、部分映像光ML1,ML2を射出する方向を、第2実施形態の回転方向とは逆方向にしている。 In this embodiment, as in the second embodiment, the first partial image light ML1 is emitted from the first partial display area 111 of the display panel 11a, which is located in the first shift direction (-X direction) as viewed from the center point 11c of the display panel 11a, as shown in FIG. 5 and other figures. The second partial image light ML2 is emitted from the second partial display area 112 of the display panel 11a, which is located in the second shift direction (+X direction) as viewed from the center point 11c of the display panel 11a, as shown in FIG. 5 and other figures. However, in this embodiment, the microlenses 211 and 212 shown in FIG. 9 are shifted from the centers of the partial display areas 111 and 112 in the first shift direction (-X direction), so that the direction in which the partial image light ML1 and ML2 are emitted is opposite to the rotation direction in the second embodiment.

以上では、虚像表示装置100A,100Bを、HMDとして利用可能としているが、これに限らず、種々の光学機器に適用可能であり、例えばヘッドアップディスプレイ(HUD:Head-Up Display)において、本発明を適用することも可能である。 In the above, the virtual image display devices 100A and 100B can be used as HMDs, but the present invention is not limited to this and can be applied to various optical devices. For example, the present invention can be applied to a head-up display (HUD).

また、以上に説明した各変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせることが可能である。一例として、第1実施形態及び第2実施形態の構成を組み合わせてもよいし、第3実施形態及び第4実施形態の構成を組み合わせてもよい。 The modified examples described above can be combined with each other to the extent that there is no technical contradiction. As an example, the configurations of the first and second embodiments may be combined, or the configurations of the third and fourth embodiments may be combined.

以上、第1部分表示領域111及び第2部分表示領域112が、表示パネル11aの中心点11cを挟んで、中心点11cから同じ距離に配置されている場合の構成について説明したが、これはあくまでも比較を容易にするための例であって、本開示を限定しない。表示パネル11a及び投影光学系20の位置を入射回折層51bに対して第1方向(±X方向)にシフトしたり、部分表示領域111,112から部分映像光ML1,ML2が射出される射出方向を部分表示領域111,112の第1方向(±X方向)における位置に応じたティルト角度AT1,AT2でそれぞれ傾けたりするとき、2つの部分表示領域111,112が第1方向(±X方向)において異なる位置にあれば、たとえ第1部分表示領域111及び第2部分表示領域112が同じ形状および同じ面積を有していても、光束幅W1,W2は異なる。 The above describes a configuration in which the first partial display area 111 and the second partial display area 112 are disposed at the same distance from the center point 11c of the display panel 11a, but this is merely an example for ease of comparison and does not limit the present disclosure. When the positions of the display panel 11a and the projection optical system 20 are shifted in the first direction (±X direction) relative to the incident diffraction layer 51b, or the emission directions in which the partial image lights ML1 and ML2 are emitted from the partial display areas 111 and 112 are tilted at tilt angles AT1 and AT2 corresponding to the positions of the partial display areas 111 and 112 in the first direction (±X direction), respectively, if the two partial display areas 111 and 112 are at different positions in the first direction (±X direction), even if the first partial display area 111 and the second partial display area 112 have the same shape and area, the light flux widths W1 and W2 are different.

具体的な態様における虚像表示装置は、映像光を射出する表示パネルと、表示パネルからの映像光をコリメートする投影光学系と、映像光を導光する導光板と、投影光学系からの映像光を導光板に入射させる入射回折光学系と、導光板からの映像光を出射させる出射回折光学系と、を備え、表示パネルは、第1部分表示領域と、第1部分表示領域から見て、装着者の両眼が並ぶ第1方向に配置され、第1部分表示領域と同じ面積及び同じ形状を有する第2部分表示領域と、を含み、表示パネルから射出される映像光は、第1部分表示領域から射出される第1部分映像光と、第2部分表示領域から射出される第2部分映像光と、を含み、入射回折光学系の入射面のうち、第1部分映像光が入射する第1入射面積は、第2部分映像光が入射する第2入射面積より小さい。 A specific embodiment of the virtual image display device includes a display panel that emits image light, a projection optical system that collimates the image light from the display panel, a light guide plate that guides the image light, an incident diffraction optical system that causes the image light from the projection optical system to enter the light guide plate, and an exit diffraction optical system that emits the image light from the light guide plate. The display panel includes a first partial display area and a second partial display area that is disposed in a first direction in which the wearer's eyes are aligned as viewed from the first partial display area and has the same area and shape as the first partial display area. The image light emitted from the display panel includes a first partial image light emitted from the first partial display area and a second partial image light emitted from the second partial display area. Of the entrance surface of the entrance diffraction optical system, a first entrance area into which the first partial image light is incident is smaller than a second entrance area into which the second partial image light is incident.

上記虚像表示装置では、映像光のうち、表示パネルに含まれる2つの異なる表示領域からそれぞれ射出される2つの部分映像光が導光板に入射するときの入射面積に差を設けることで、導光板の内部を導光されるときの反射角度の差によって発生する、導光板から出射して装着者の目で観察される映像光の輝度ムラを、低減することができる。 In the above virtual image display device, by providing a difference in the incident area when two partial image lights, which are emitted from two different display areas included in the display panel, enter the light guide plate, it is possible to reduce uneven brightness of the image light that is emitted from the light guide plate and observed by the wearer's eyes, which occurs due to the difference in the reflection angle when the light is guided inside the light guide plate.

具体的な態様における虚像表示装置において、導光板の内部で導光される第1部分映像光の、投影光学系の光軸方向及び第1方向を含む仮想平面における第1幅を、導光板の内部で導光される第2部分映像光の仮想平面における第2幅より小さくするように、投影光学系の中心光軸が入射回折光学系の入射面に交わる光軸中心点は、表示パネルの中心点からずれており、光軸中心点から中心点に向かう第2方向は、第1方向に平行な方向成分を含む。 In a specific embodiment of the virtual image display device, the optical axis center point where the central optical axis of the projection optical system intersects with the entrance surface of the entrance diffraction optical system is shifted from the center point of the display panel, and the second direction from the optical axis center point toward the center point includes a directional component parallel to the first direction, so that the first width in a virtual plane including the optical axis direction of the projection optical system and the first direction of the first partial image light guided inside the light guide plate is smaller than the second width in the virtual plane of the second partial image light guided inside the light guide plate.

上記虚像表示装置では、光軸中心点から表示パネルの中心点をずらすことで、入射面積に差を設けることができる。 In the above virtual image display device, the entrance area can be made different by shifting the center point of the display panel from the center point of the optical axis.

具体的な態様における虚像表示装置において、第2方向は、入射回折光学系から前記出射回折光学系へ向かう方向のうちの、前記第1方向に平行な方向成分である第3方向の方向成分を含む。 In a specific embodiment of the virtual image display device, the second direction includes a directional component of a third direction, which is a directional component parallel to the first direction, from the input diffractive optical system to the output diffractive optical system.

具体的な態様における虚像表示装置において、第2方向は、第3方向とは逆方向である第4方向の方向成分を含む。 In a specific embodiment of the virtual image display device, the second direction includes a directional component of a fourth direction that is opposite to the third direction.

具体的な態様における虚像表示装置において、表示パネルに含まれる複数の画素のそれぞれから射出される光の射出方向を、複数の画素のそれぞれの表示パネルにおける位置に基づいて変更する射出方向変更光学系をさらに備える。 In a specific embodiment, the virtual image display device further includes an emission direction changing optical system that changes the emission direction of light emitted from each of a plurality of pixels included in the display panel based on the position of each of the plurality of pixels on the display panel.

上記虚像表示装置では、画素ごとに光の射出方向を変更することで、入射面積に差を設けることができる。 In the above virtual image display device, the light emission direction can be changed for each pixel, allowing differences in the incident area to be created.

具体的な態様における虚像表示装置において、射出方向変更光学系からの第1部分映像光が投影光学系に入射する第1入射角度は、射出方向変更光学系からの第2部分映像光が投影光学系に入射する第2入射角度より小さい。 In a specific embodiment of the virtual image display device, the first angle of incidence at which the first partial image light from the emission direction changing optical system is incident on the projection optical system is smaller than the second angle of incidence at which the second partial image light from the emission direction changing optical system is incident on the projection optical system.

具体的な態様における虚像表示装置において、射出方向変更光学系からの第1部分映像光が投影光学系に入射する第1入射角度は、射出方向変更光学系からの第2部分映像光が投影光学系に入射する第2入射角度より大きい。 In a specific embodiment of the virtual image display device, the first angle of incidence at which the first partial image light from the emission direction changing optical system is incident on the projection optical system is greater than the second angle of incidence at which the second partial image light from the emission direction changing optical system is incident on the projection optical system.

具体的な態様における虚像表示装置において、射出方向変更光学系は、複数の画素から射出された光の放射方向をそれぞれ変更する複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイを備え、複数のマイクロレンズのそれぞれの光軸中心点と、複数の画素のそれぞれの中心点との間には、所定の距離のずれが設けられており、所定の距離は、表示パネルにおける複数の画素のそれぞれの位置に基づいて決定されている。 In a specific embodiment of the virtual image display device, the emission direction changing optical system includes a microlens array in which a plurality of microlenses are arranged, each of which changes the radiation direction of light emitted from a plurality of pixels, and a predetermined distance is provided between the optical axis center point of each of the plurality of microlenses and the center point of each of the plurality of pixels, and the predetermined distance is determined based on the position of each of the plurality of pixels on the display panel.

上記虚像表示装置では、画素の中心点とマイクロレンズの光軸中心点との間に、画素ごとに異なるずれを設けることで、入射面積の差を設けることができる。 In the virtual image display device, a difference in the incident area can be created by providing a different offset for each pixel between the center point of the pixel and the center point of the optical axis of the microlens.

具体的な態様における虚像表示装置において、表示パネルは、複数の画素の各々について、映像光のうちのR(赤色)成分、G(緑色)成分及びB(青色)成分の光を個別に射出する複数の副画素を備える単板RGBパネルを備え、射出方向変更光学系は、複数の副画素のそれぞれから射出された光に色情報を与える複数のカラーフィルタが配列されたカラーフィルタアレイを備え、複数のカラーフィルタのそれぞれの中心点と、複数の副画素のそれぞれの中心点との間には、所定の距離のずれが設けられており、所定の距離は、前記表示パネルにおける前記複数の副画素のそれぞれの位置に基づいて決定されている。 In a specific embodiment of the virtual image display device, the display panel comprises a single-plate RGB panel having a plurality of sub-pixels that individually emit R (red), G (green) and B (blue) components of the image light for each of a plurality of pixels, the emission direction changing optical system comprises a color filter array in which a plurality of color filters are arranged to give color information to the light emitted from each of the plurality of sub-pixels, and a predetermined distance is provided between the center point of each of the plurality of color filters and the center point of each of the plurality of sub-pixels, and the predetermined distance is determined based on the position of each of the plurality of sub-pixels on the display panel.

上記虚像表示装置では、副画素の中心点とカラーフィルタの中心点との間に、副画素ごとに異なるずれを設けることで、入射面積の差を設けることができる。 In the above virtual image display device, a difference in the incident area can be created by providing a different offset for each subpixel between the center point of the subpixel and the center point of the color filter.

具体的な態様における光学ユニットは、映像光を射出する表示パネルと、表示パネルからの映像光をコリメートする投影光学系と、映像光を導光する導光板と、投影光学系からの映像光を導光板に入射させる入射回折光学系と、導光板からの映像光を出射させる出射回折光学系と、を備え、表示パネルは、第1部分表示領域と、第1部分表示領域から見て、装着者の両眼が並ぶ第1方向に配置され、第1部分表示領域と同じ面積及び同じ形状を有する第2部分表示領域と、を含み、表示パネルから射出される映像光は、第1部分表示領域から射出される第1部分映像光と、第2部分表示領域から射出される第2部分映像光と、を含み、入射回折光学系の入射面のうち、第1部分映像光が入射する第1入射面積は、第2部分映像光が入射する第2入射面積より小さい。 In a specific embodiment, the optical unit includes a display panel that emits image light, a projection optical system that collimates the image light from the display panel, a light guide plate that guides the image light, an incident diffraction optical system that causes the image light from the projection optical system to enter the light guide plate, and an exit diffraction optical system that emits the image light from the light guide plate. The display panel includes a first partial display area and a second partial display area that is disposed in a first direction in which the wearer's eyes are aligned as viewed from the first partial display area and has the same area and shape as the first partial display area. The image light that is emitted from the display panel includes a first partial image light that is emitted from the first partial display area and a second partial image light that is emitted from the second partial display area. Of the entrance surface of the entrance diffraction optical system, a first entrance area into which the first partial image light is incident is smaller than a second entrance area into which the second partial image light is incident.

10…映像光生成装置、11a…表示パネル、11c…中心点、11d…表示面、14a…発光素子、20…投影光学系、21a,21b…レンズ、50…導光部材、51a…導光板、51b…入射回折層、51c…射出回折層、51e…瞳拡大格子層、71…ホルダー、88…駆動回路部材、90…ユーザー端末、100…光学ユニット、100A,100B…虚像表示装置、100C…支持装置、102a,102b…表示駆動部、103a,103b…導光光学系、110…部分表示領域(基準表示領域)、111,112…部分表示領域、200…HMD、210,211,212…マイクロレンズ、510…中心点、AX1,AX2…光軸、DE…瞳拡大回折光学素子、DI…入力回折光学素子、DO…出力回折光学素子、EY…眼、ML…映像光、ML0,ML1,ML2…部分映像光、OX…射出光軸、PP…瞳位置、US…装着者、W1,W2…光束幅 10...image light generating device, 11a...display panel, 11c...center point, 11d...display surface, 14a...light emitting element, 20...projection optical system, 21a, 21b...lens, 50...light guiding member, 51a...light guiding plate, 51b...entrance diffraction layer, 51c...exit diffraction layer, 51e...pupil enlargement grating layer, 71...holder, 88...drive circuit member, 90...user terminal, 100...optical unit, 100A, 100B...virtual image display device, 100C...support device, 102a, 102b...display drive unit, 103a, 103b...light guide optical system, 110...partial display area (reference display area), 111, 112...partial display area, 200...HMD, 210, 211, 212...microlenses, 510...center point, AX1, AX2...optical axis, DE...pupil expansion diffractive optical element, DI...input diffractive optical element, DO...output diffractive optical element, EY...eye, ML...image light, ML0, ML1, ML2...partial image light, OX...exiting optical axis, PP...pupil position, US...wearer, W1, W2...light beam width

Claims (10)

映像光を射出する表示パネルと、
前記表示パネルからの前記映像光をコリメートする投影光学系と、
前記映像光を導光する導光板と、
前記投影光学系からの前記映像光を前記導光板に入射させる入射回折光学系と、
前記導光板からの前記映像光を出射させる出射回折光学系と、
を備え、
前記表示パネルは、
第1部分表示領域と、
前記第1部分表示領域から見て、装着者の両眼が並ぶ第1方向に配置され、前記第1部分表示領域と同じ面積及び同じ形状を有する第2部分表示領域と、
を含み、
前記表示パネルから射出される前記映像光は、
前記第1部分表示領域から射出される第1部分映像光と、
前記第2部分表示領域から射出される第2部分映像光と、
を含み、
前記入射回折光学系の入射面のうち、前記第1部分映像光が入射する第1入射面積は、前記第2部分映像光が入射する第2入射面積より小さい
虚像表示装置。
A display panel that emits image light;
a projection optical system that collimates the image light from the display panel;
a light guide plate that guides the image light;
an incident diffraction optical system that causes the image light from the projection optical system to be incident on the light guide plate;
an output diffraction optical system that outputs the image light from the light guide plate;
Equipped with
The display panel includes:
A first partial display area;
A second partial display area is disposed in a first direction in which both eyes of the wearer are aligned as viewed from the first partial display area, and has the same area and shape as the first partial display area;
Including,
The image light emitted from the display panel is
a first partial image light emitted from the first partial display area;
a second partial image light emitted from the second partial display area; and
Including,
a first incident area, on an incident surface of the incident diffractive optical system, onto which the first partial image light is incident, is smaller than a second incident area, on which the second partial image light is incident.
前記導光板の内部で導光される前記第1部分映像光の、前記投影光学系の光軸方向及び前記第1方向を含む仮想平面における第1幅を、前記導光板の前記内部で導光される前記第2部分映像光の前記仮想平面における第2幅より小さくするように、前記投影光学系の中心光軸が前記入射回折光学系の入射面に交わる光軸中心点は、前記中心光軸が前記表示パネルに交わる中心点からずれており、
前記光軸中心点から前記中心点に向かう第2方向は、前記第1方向に平行な方向成分を含む
請求項1に記載の虚像表示装置。
an optical axis center point where a central optical axis of the projection optical system intersects with an incident surface of the incident diffractive optical system is shifted from a center point where the central optical axis intersects with the display panel so that a first width in a virtual plane including an optical axis direction of the projection optical system and the first direction, of the first partial image light guided inside the light guide plate, is made smaller than a second width in the virtual plane of the second partial image light guided inside the light guide plate,
The virtual image display device according to claim 1 , wherein a second direction from the optical axis center point toward the center point includes a directional component parallel to the first direction.
前記第2方向は、前記入射回折光学系から前記出射回折光学系へ向かう方向のうちの、前記第1方向に平行な方向成分である第3方向の方向成分を含む
請求項2に記載の虚像表示装置。
The virtual image display device according to claim 2 , wherein the second direction includes a directional component of a third direction that is a directional component parallel to the first direction among directions from the input diffractive optical system to the output diffractive optical system.
前記第2方向は、前記入射回折光学系から前記出射回折光学系へ向かう方向のうちの、前記第1方向に平行な方向成分である第3方向とは逆方向である第4方向の方向成分を含む
請求項2に記載の虚像表示装置。
The virtual image display device according to claim 2 , wherein the second direction includes a directional component of a fourth direction that is an opposite direction to a third direction that is a directional component parallel to the first direction, among directions from the input diffractive optical system to the output diffractive optical system.
前記表示パネルに含まれる複数の画素のそれぞれから射出される光の射出方向を、前記複数の画素のそれぞれの前記表示パネルにおける位置に基づいて変更する射出方向変更光学系
をさらに備える
請求項1に記載の虚像表示装置。
The virtual image display device according to claim 1 , further comprising an emission direction changing optical system that changes an emission direction of light emitted from each of a plurality of pixels included in the display panel based on a position of each of the plurality of pixels on the display panel.
前記射出方向変更光学系からの前記第1部分映像光が前記投影光学系に入射する第1入射角度は、前記射出方向変更光学系からの前記第2部分映像光が前記投影光学系に入射する第2入射角度より小さい
請求項5に記載の虚像表示装置。
6. The virtual image display device according to claim 5, wherein a first angle of incidence at which the first partial image light from the emission direction changing optical system is incident on the projection optical system is smaller than a second angle of incidence at which the second partial image light from the emission direction changing optical system is incident on the projection optical system.
前記射出方向変更光学系からの前記第1部分映像光が前記投影光学系に入射する第1入射角度は、前記射出方向変更光学系からの前記第2部分映像光が前記投影光学系に入射する第2入射角度より大きい
請求項5に記載の虚像表示装置。
6. The virtual image display device according to claim 5, wherein a first angle of incidence at which the first partial image light from the emission direction changing optical system is incident on the projection optical system is greater than a second angle of incidence at which the second partial image light from the emission direction changing optical system is incident on the projection optical system.
前記射出方向変更光学系は、
前記複数の画素から射出された光の放射方向をそれぞれ変更する複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイ
を備え、
前記複数のマイクロレンズのそれぞれの光軸中心点と、前記複数の画素のそれぞれの中心点との間には、所定の距離のずれが設けられており、
前記所定の距離は、前記表示パネルにおける前記複数の画素のそれぞれの位置に基づいて決定されている
請求項5、6又は7に記載の虚像表示装置。
The emission direction changing optical system includes:
a microlens array in which a plurality of microlenses are arranged, each of which changes the radiation direction of light emitted from the plurality of pixels;
a predetermined distance is provided between the optical axis center point of each of the plurality of microlenses and the center point of each of the plurality of pixels;
The virtual image display device according to claim 5 , 6 or 7 , wherein the predetermined distance is determined based on the positions of the respective pixels on the display panel.
前記表示パネルは、
前記複数の画素の各々について、前記映像光のうちのR(赤色)成分、G(緑色)成分及びB(青色)成分の光を個別に射出する複数の副画素を備える単板RGBパネル
を備え、
前記射出方向変更光学系は、
前記複数の副画素のそれぞれから射出された光に色情報を与える複数のカラーフィルタが配列されたカラーフィルタアレイ
を備え、
前記複数のカラーフィルタのそれぞれの中心点と、前記複数の副画素のそれぞれの中心点との間には、所定の距離のずれが設けられており、
前記所定の距離は、前記表示パネルにおける前記複数の副画素のそれぞれの位置に基づいて決定されている
請求項5、6又は7に記載の虚像表示装置。
The display panel includes:
a single-plate RGB panel including a plurality of sub-pixels that individually emit light of an R (red) component, a G (green) component, and a B (blue) component of the image light for each of the plurality of pixels;
The emission direction changing optical system includes:
a color filter array in which a plurality of color filters are arranged to give color information to light emitted from each of the plurality of sub-pixels;
a predetermined distance is provided between a center point of each of the plurality of color filters and a center point of each of the plurality of sub-pixels;
The virtual image display device according to claim 5 , 6 or 7 , wherein the predetermined distance is determined based on respective positions of the plurality of sub-pixels on the display panel.
映像光を射出する表示パネルと、
前記表示パネルからの前記映像光をコリメートする投影光学系と、
前記映像光を導光する導光板と、
前記投影光学系からの前記映像光を前記導光板に入射させる入射回折光学系と、
前記導光板からの前記映像光を出射させる出射回折光学系と、
を備え、
前記表示パネルは、
第1部分表示領域と、
前記第1部分表示領域から見て、装着者の両眼が並ぶ第1方向に配置され、前記第1部分表示領域と同じ面積及び同じ形状を有する第2部分表示領域と、
を含み、
前記表示パネルから射出される前記映像光は、
前記第1部分表示領域から射出される第1部分映像光と、
前記第2部分表示領域から射出される第2部分映像光と、
を含み、
前記入射回折光学系の入射面のうち、前記第1部分映像光が入射する第1入射面積は、前記第2部分映像光が入射する第2入射面積より小さい
光学ユニット。
A display panel that emits image light;
a projection optical system that collimates the image light from the display panel;
a light guide plate that guides the image light;
an incident diffraction optical system that causes the image light from the projection optical system to be incident on the light guide plate;
an output diffraction optical system that outputs the image light from the light guide plate;
Equipped with
The display panel includes:
A first partial display area;
A second partial display area is disposed in a first direction in which both eyes of the wearer are aligned as viewed from the first partial display area, and has the same area and shape as the first partial display area;
Including,
The image light emitted from the display panel is
a first partial image light emitted from the first partial display area;
a second partial image light emitted from the second partial display area; and
Including,
an incidence surface of the incident diffractive optical system having a first incidence area onto which the first partial image light is incident that is smaller than a second incidence area onto which the second partial image light is incident.
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