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JPH08184779A - Eye-ball projection type image display device - Google Patents

Eye-ball projection type image display device

Info

Publication number
JPH08184779A
JPH08184779A JP32753694A JP32753694A JPH08184779A JP H08184779 A JPH08184779 A JP H08184779A JP 32753694 A JP32753694 A JP 32753694A JP 32753694 A JP32753694 A JP 32753694A JP H08184779 A JPH08184779 A JP H08184779A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
image display
hologram element
display device
hologram
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
JP32753694A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Seiichiro Tabata
誠一郎 田端
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.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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 Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP32753694A priority Critical patent/JPH08184779A/en
Publication of JPH08184779A publication Critical patent/JPH08184779A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0081Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. enlarging, the entrance or exit pupil

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

PURPOSE: To provide the eye-ball projection type image display device of a head mounted image display device or the like where the occurrence of aberration is reduced even though a compact optical system is used and color slurring is not caused even though it has a large exit pupil system. CONSTITUTION: As for the eye-ball projection type picture display device having a liquid crystal display device 2 and an eyepiece 3 projecting a displayed image on the retina of an user, a first hologram element 17 and a second hologram element 18 are provided in an optical path between the eyepiece 3 and an exit pupuil 6 formed by the eyepiece 3, and the first hologram element 17 and the second hologram element 18 are constituted so that the angle of diffraction by the second hologram element 18 for respective wavelength of the image may nearly match the angle of the diffraction by the first hologram element 17.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、使用者の眼球内に虚像
として映像を導き、像を観察する眼球投影型の映像表示
装置に関するものである。特に、観察者の頭部に装着さ
せ、眼球内網膜上に映像を投影可能とした頭部装着型映
像表示装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an eyeball projection type image display device for guiding an image as a virtual image into a user's eyeball and observing the image. In particular, the present invention relates to a head-mounted image display device that is attached to the head of an observer and is capable of projecting an image on the retina in the eyeball.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より虚像として使用者の眼球内に映
像を導き、映像を観察可能とした眼球投影型映像表示装
置が提案されている。特に、使用者の頭部に装着させ、
LCD表示素子やCRT表示素子等の映像表示素子を用
いて映像を表示させ、その映像をレンズ系や凹面鏡等の
各種接眼光学系を用いて使用者の眼球内に虚像として大
画面像を導く頭部装着型映像表示装置が知られている。
この頭部装着型映像表示装置は、装着手段を介して使用
者の頭部に装着でき、装置を手等でおさえる必要がない
とともに、装置本体内に設けられた小型の映像表示素子
で大画面像を見ることができる新しいタイプの映像表示
装置である。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been proposed an eyeball projection type image display apparatus in which an image is guided into a user's eyeball as a virtual image and the image can be observed. In particular, wear it on the user's head,
A head that displays an image using an image display device such as an LCD display device or a CRT display device and guides the image to a large screen image as a virtual image in the user's eye by using various eyepiece optical systems such as a lens system and a concave mirror. Part-mounted video display devices are known.
This head-mounted image display device can be mounted on the user's head through the mounting means, and it is not necessary to hold the device with hands, etc., and a large screen is provided by a small image display element provided inside the device body. It is a new type of image display device that allows you to see images.

【0003】このような頭部装着型映像表示装置は、液
晶表示素子等の2次元表示素子上に表示された映像を接
眼光学系を用いて使用者の網膜上に拡大投影するものが
一般的である。(例えば特開平4−170512)。し
かし、接眼光学系の開口数が大きいと収差が発生しやす
く、これを防止するためには構成が複雑で大型のレンズ
系等の光学系になるという問題がある。そこで、この開
口数を照明系側で制御する頭部装着型映像表示装置も提
案されている(特開平3−214872)。
Such a head-mounted image display device is generally one that magnifies and projects an image displayed on a two-dimensional display element such as a liquid crystal display element onto a user's retina by using an eyepiece optical system. Is. (For example, JP-A-4-170512). However, when the numerical aperture of the eyepiece optical system is large, aberration is likely to occur, and in order to prevent this, there is a problem that the configuration becomes complicated and the optical system becomes a large lens system. Therefore, a head-mounted image display device in which the numerical aperture is controlled on the side of the illumination system has also been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 3-214872).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、接眼レンズの
開口数が小さいと、使用者の眼の瞳孔で光線がケラレや
すくなる問題が生じる。この問題を図11を用いて説明
する。図11(a)は従来の頭部装着型映像表示装置の
要部を示している。照明系1により液晶表示素子2の背
後を照明し、この液晶表示素子2が表示する映像の拡大
像を接眼光学系である凸レンズ3で使用者の眼球4の網
膜5上に投影する。照明系1は凸レンズ3の収差を小さ
く抑えるために、小さな開口数で液晶表示素子2を照明
している。そのため、この頭部装着型映像表示装置の射
出瞳6の径は図示の通り小さい。この射出瞳6と使用者
の瞳孔位置7が厳密に一致するように頭部装着型映像表
示装置を装着すれば、少なくとも使用者が映像の中心を
注視している場合には、図示の通り、液晶表示素子2の
中心映像P1 、周辺映像P2 を射出する光線が瞳孔7を
通過するので、使用者には液晶表示素子2が映し出す映
像を中心から周辺まで観察することができる。なお、図
中、網膜5上のP1'、P2'はそれぞれ映像P1、P2 の
像である。
However, when the numerical aperture of the eyepiece lens is small, there is a problem that light rays are likely to be vignetted at the pupil of the user's eye. This problem will be described with reference to FIG. FIG. 11A shows a main part of a conventional head-mounted image display device. The back of the liquid crystal display element 2 is illuminated by the illumination system 1, and a magnified image of the image displayed by the liquid crystal display element 2 is projected onto the retina 5 of the eyeball 4 of the user by the convex lens 3 which is the eyepiece optical system. The illumination system 1 illuminates the liquid crystal display element 2 with a small numerical aperture in order to suppress the aberration of the convex lens 3 to be small. Therefore, the diameter of the exit pupil 6 of this head-mounted image display device is small as shown. If the head-mounted image display device is mounted so that the exit pupil 6 and the pupil position 7 of the user are exactly the same, as shown in the figure, at least when the user is gazing at the center of the image, Since the light rays emitted from the central image P1 and the peripheral image P2 of the liquid crystal display element 2 pass through the pupil 7, the user can observe the image projected by the liquid crystal display element 2 from the center to the periphery. In the figure, P1 'and P2' on the retina 5 are images of images P1 and P2, respectively.

【0005】しかし、射出瞳6と使用者の瞳孔7が厳密
に一致していないと、光線が瞳孔7で蹴られ、映像に陰
りが生じる。さらに、図11(b)に示すように、使用
者が周辺映像P2 に視線を向けた場合には、眼球4は眼
球中央部付近にある回施点を中心に回転するため、瞳孔
7位置が変移し、中心映像P1 、周辺映像P2 を射出す
る光線が瞳孔7を益々通過し難くなる。そして、極端な
場合、映像が観察不能になってしまう。
However, if the exit pupil 6 and the user's pupil 7 do not exactly coincide with each other, a light ray is kicked by the pupil 7 and the image is shaded. Further, as shown in FIG. 11 (b), when the user directs his or her eyes on the peripheral image P2, the eyeball 4 rotates around the rotation point near the center of the eyeball, so that the position of the pupil 7 is changed. The rays of light that are displaced and emit the central image P1 and the peripheral image P2 are more difficult to pass through the pupil 7. Then, in an extreme case, the image becomes unobservable.

【0006】本発明はこのような従来技術の問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、コンパクトな光
学系を使用しながら収差の発生が少なく、大きな射出瞳
径を持つ眼球投影型映像表示装置を提供することであ
る。一方、この問題を解決するため、本件出願人は本件
出願時未公開の特願平6−41166号出願明細書及び
図面にて、二つの回折手段を用いることで射出瞳の拡大
が図れる旨提案しており、回折手段として回折格子を用
いた例を示した。この方式は図12(a)に示す如く接
眼光学系3と接眼光学系3により形成される射出瞳6の
間の光路中に第1の回折格子11と第2の回折格子12
を図のように光路にそって順に配することで、表示面か
らの入射光は第1の回折格子11により、複数光に回折
して分けられ、これら光は第2の回折格子12で再度回
折され、結果として射出光の光束径bは入射光の光束径
aよりも広がり、大きな射出瞳径となる。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object thereof is an eyeball projection type having a large exit pupil diameter with little aberration while using a compact optical system. An object is to provide a video display device. On the other hand, in order to solve this problem, the applicant proposes that the exit pupil can be enlarged by using two diffractive means in the specification and the drawing of Japanese Patent Application No. 6-41166 which have not been published at the time of filing this application. Therefore, an example in which a diffraction grating is used as the diffraction means is shown. In this method, as shown in FIG. 12A, the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 are provided in the optical path between the eyepiece optical system 3 and the exit pupil 6 formed by the eyepiece optical system 3.
Are sequentially arranged along the optical path as shown in the figure, the incident light from the display surface is diffracted into a plurality of lights by the first diffraction grating 11, and these lights are again divided by the second diffraction grating 12. The light beam diameter b of the diffracted light is wider than the light beam diameter a of the incident light, resulting in a large exit pupil diameter.

【0007】しかしながら、図12(b)に示す通り回
折格子での回折角は波長によって異なる。R、G、Bは
それぞれ赤、緑、青の光線又は光束を示す。そのためこ
の方式では、各色毎に回折格子12を射出する位置が異
なり、結果として生じる射出瞳も図12(c)のように
色毎に瞳位置がずれてしまう。そのため、使用者が瞳孔
を動かすと観察される像の色が変わってしまう。
However, as shown in FIG. 12B, the diffraction angle of the diffraction grating differs depending on the wavelength. R, G, and B represent red, green, and blue rays or luminous fluxes, respectively. Therefore, in this method, the position where the diffraction grating 12 is emitted is different for each color, and the resulting exit pupil is also displaced for each color as shown in FIG. 12C. Therefore, when the user moves the pupil, the color of the observed image changes.

【0008】本発明はこの先に出願した発明を改良する
ことで、コンパクトな光学系を使用しながらも収差の発
生が少なく、大きな射出瞳径が得られ、しかも射出瞳の
色むらのない良好な映像が得られる眼球投影型映像表示
装置を提供することを更なる目的としている。
The present invention is an improvement of the invention filed previously, and it is possible to obtain a large exit pupil diameter with little aberration while using a compact optical system, and it is also possible to obtain good color unevenness of the exit pupil. It is a further object to provide an eyeball projection type image display device capable of obtaining an image.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】以上の問題を解決するた
め、本願発明の眼球投影型映像表示装置の構成は、映像
を表示する映像表示手段と、該映像表示手段から発せら
れる光束を集光して射出瞳を形成し該射出瞳近傍に配さ
れた使用者眼球内の網膜上に前記映像の像を形成させる
接眼光学系とを有する眼球投影型映像表示装置におい
て、前記接眼光学系が前記映像表示手段乃至前記射出瞳
との間の光路中に光軸に沿って順に離間して配された光
束分割素子及びホログラム素子とを有することを特徴と
するものである。
In order to solve the above problems, in the configuration of the eyeball projection type image display apparatus of the present invention, the image display means for displaying an image and the light flux emitted from the image display means are condensed. And an eyepiece optical system for forming an exit pupil and forming an image of the image on the retina in the user's eye arranged near the exit pupil, in the eyeball projection type image display device, wherein the eyepiece optical system is In the optical path between the image display means and the exit pupil, there is provided a light beam splitting element and a hologram element, which are sequentially arranged apart from each other along the optical axis.

【0010】更に、前記映像表示手段は該映像表示手段
の発する光束に三原色の波長域を含ませるフルカラー映
像表示手段であり、前記光束分割素子は前記三原色の波
長域の入射光束を各色各々複数の光束に分割させる構成
であり、前記ホログラム素子は前記分割された複数の光
束のうちプラス一次の各々の光束の射出光軸垂直方向の
ずれ量を2mm以下に抑え且つマイナス一次の各々の光
束の射出光軸垂直方向のずれ量を2mm以下に抑えほぼ
合致させて射出させる構成であることを特徴とするもの
である。
Further, the image display means is a full-color image display means in which the light flux emitted from the image display means includes the wavelength regions of the three primary colors, and the light beam splitting element divides the incident light beams in the wavelength regions of the three primary colors into a plurality of colors. The hologram element is configured to be split into light beams, and the hologram element suppresses the deviation amount of each plus primary light beam in the direction perpendicular to the optical axis of the split plurality of light beams to 2 mm or less and emits each minus primary light beam. The structure is characterized in that the amount of deviation in the direction perpendicular to the optical axis is suppressed to 2 mm or less, and the light is ejected with almost matching.

【0011】また更に、前記光束分割素子が第一のホロ
グラム素子であることを特徴とするものである。また更
に、最初に記載したホログラム素子を第二のホログラム
素子とし、前記光束分割素子による前記三原色の一次の
回折角を各々αr,αg,αb とした時、該第二のホログラ
ム素子による前記三原色の各々の一次の回折角αr', α
g', αb'を0.9 αr <αr'<1.1 αr, 0.9αg <αg'<
1.1 αg, 0.9αb <αb'<1.1 αb としたことを特徴と
するものである。
Furthermore, the light beam splitting element is a first hologram element. Furthermore, when the first hologram element is the second hologram element, and the primary diffraction angles of the three primary colors by the light beam splitting element are αr, αg, and αb, respectively, the three holograms of the three primary colors by the second hologram element are Each first-order diffraction angle αr ', α
g ', αb' is 0.9 αr <αr '<1.1 αr, 0.9 αg <αg'<
The feature is that 1.1 αg, 0.9 αb <αb '<1.1 αb.

【0012】更に、前記光束分割素子が第一のホログラ
ム素子であることを特徴とするものである。また更に、
前記第一及び第二のホログラム素子が各々異なる波長で
最高回折効率を示し該最高回折効率を示す波長のプラス
マイナス30nmの波長で該最高回折効率の半分以下の
回折効率となる強い波長選択性を持つ複数のホログラム
素子により構成されていることを特徴とするものであ
る。
Furthermore, the light beam splitting element is a first hologram element. Furthermore,
The first and second hologram elements each have a strong wavelength selectivity that exhibits the highest diffraction efficiency at different wavelengths and a diffraction efficiency that is less than half of the highest diffraction efficiency at a wavelength within 30 nm of the wavelength exhibiting the highest diffraction efficiency. It is characterized in that it is composed of a plurality of hologram elements.

【0013】更に、前記複数のホログラム素子が光軸に
沿って順に併設されたことを特徴とするものである。ま
た更に、前記接眼光学系が前記映像表示手段側から順に
パワーを有する接眼光学系、第一のホログラム素子、第
二のホログラム素子、視度補正レンズの順で構成された
ことを特徴とするものである。
Further, the plurality of hologram elements are sequentially arranged along the optical axis. Still further, the eyepiece optical system is composed of an eyepiece optical system having power in order from the image display means side, a first hologram element, a second hologram element, and a diopter correction lens. Is.

【0014】また、本願発明の眼球投影型映像表示装置
は、映像を表示する映像表示手段と、該映像表示手段か
ら発せられた光束を集光して射出瞳を形成し該射出瞳近
傍に配された使用者眼球内の網膜上に前記映像の像を形
成させる接眼光学系とを有する眼球投影型映像表示装置
において、前記接眼光学系が前記映像表示手段乃至前記
射出瞳との間の光路中に光軸に沿って順に離間して配さ
れたホログラム素子及び光束合成素子とを有することを
特徴とするものである。
Further, the eyeball projection type image display device of the present invention is provided with an image display means for displaying an image, a light flux emitted from the image display means to form an exit pupil, and the exit pupil is arranged in the vicinity of the exit pupil. An eyepiece projection type image display device having an eyepiece optical system for forming the image of the image on the retina in the user's eyeball, wherein the eyepiece optical system is in the optical path between the image display means and the exit pupil. And a hologram element and a light flux synthesizing element, which are sequentially arranged apart from each other along the optical axis.

【0015】[0015]

【作用】請求項1に係る発明によれば、映像表示手段に
より表示された映像は接眼光学系により虚像として像を
観察することができる。この時、使用者の瞳を接眼光学
系により形成される射出瞳近傍に位置させ光束を眼球内
に導くことが必要である。本構成では回折格子やホログ
ラム素子といった光束分割素子により映像表示手段から
発せられる入射光束を複数の光束に分離し、更に空気や
透明な媒質等を挟んで離間して位置するホログラム素子
に各々の光束が光軸垂直方向にずらして入射させる。そ
してホログラム素子の回折作用により観察者眼球側に光
束の向きをかえて拡大した射出瞳を形成する。このと
き、ホログラム素子を用いることで不必要な波長域の回
折を起こさなくて良いので効率良く射出瞳の拡大が図れ
る。
According to the invention of claim 1, the image displayed by the image display means can be observed as a virtual image by the eyepiece optical system. At this time, it is necessary to position the user's pupil near the exit pupil formed by the eyepiece optical system and guide the light beam into the eyeball. In this configuration, the incident light flux emitted from the image display means is separated into a plurality of light fluxes by a light flux splitting element such as a diffraction grating or a hologram element, and further, each light flux is separated to a hologram element positioned with air or a transparent medium interposed therebetween. Are shifted in the direction perpendicular to the optical axis and made incident. Then, due to the diffracting action of the hologram element, the direction of the light flux is changed to the observer's eyeball side to form an enlarged exit pupil. At this time, by using the hologram element, it is not necessary to cause unnecessary diffraction in the wavelength range, so that the exit pupil can be efficiently enlarged.

【0016】更に請求項2に係る発明によれば、上記構
成により映像表示素子は三原色表示が可能となりフルカ
ラー表示が可能となる。この各々の波長域を含む光束は
光束分割素子に入射し、各々複数の光束に分割される。
そして、ホログラム素子に入射し先の分割された複数の
光束のうち±一次の光束のずれ量を2mm以下に抑えほ
ぼ合致させて射出する。そのため射出瞳の色ムラが抑え
られ、観察者瞳位置の移動による映像の色変化を抑える
ことができる。上記条件を外れると色ムラが無視出来な
くなる。更に上記±一次の光束のずれ量を1mm以下、
更には0.5mm以下とすると更に色ムラが無くなりよ
り好ましい。
Further, according to the invention of claim 2, the above structure enables the image display device to display three primary colors and to display full color. A light beam including each wavelength region enters a light beam splitting element and is split into a plurality of light beams.
Then, the deviation amount of the ± first-order light beams of the plurality of divided light beams that have entered the hologram element is suppressed to 2 mm or less, and the light beams are substantially matched and emitted. Therefore, the color unevenness of the exit pupil is suppressed, and the color change of the image due to the movement of the observer's pupil position can be suppressed. If the above conditions are not satisfied, color unevenness cannot be ignored. Further, the deviation amount of the ± first order light flux is 1 mm or less,
Further, if it is 0.5 mm or less, color unevenness is further eliminated, which is more preferable.

【0017】また更に請求項3に係る発明によれば、光
束分割素子を第一のホログラム素子とすることで、第一
のホログラム素子射出後先のホログラム素子に入射する
光束の各波長ごとの位置ずれを抑えることができ、先の
ホログラム素子の位置的制約が緩和され小型になる。ま
た更に、請求項4に係る発明によれば、上記条件を満足
することで、各波長域の光束分割素子入射角と第二のホ
ログラム素子射出角がほぼ同じにできる。そのため射出
瞳を同形状で複数形成できる。
Further, according to the third aspect of the invention, by using the light beam splitting element as the first hologram element, the position for each wavelength of the light beam incident on the hologram element after the first hologram element has exited. The displacement can be suppressed, the positional restriction of the hologram element can be relaxed, and the hologram element can be miniaturized. Further, according to the invention of claim 4, by satisfying the above condition, the incident angle of the light beam splitting element and the exit angle of the second hologram element in each wavelength region can be made substantially the same. Therefore, a plurality of exit pupils can be formed in the same shape.

【0018】更に請求項5に係る発明によれば、第一の
ホログラム素子及び第二のホログラム素子がほぼ同じ構
成であるので製造コストが節約できる。また更に請求項
6に係る発明によれば、各波長毎に分離して回折するの
で異なる回折角を持つ光(クロストーク光)がなくな
り、観察しやすくなる。更に請求項7に係る発明によれ
ば、各波長域の光束の分離状態に合わせて複数のホログ
ラム素子を光軸上の前後位置で調整し瞳拡大ができる。
Further, according to the invention of claim 5, since the first hologram element and the second hologram element have substantially the same structure, the manufacturing cost can be saved. Further, according to the invention of claim 6, since light is separated for each wavelength and diffracted, light having different diffraction angles (crosstalk light) is eliminated, and observation is facilitated. Further, according to the invention of claim 7, the plurality of hologram elements can be adjusted at the front and rear positions on the optical axis according to the separated state of the light flux in each wavelength range to expand the pupil.

【0019】また更に請求項8に係る発明によれば、第
二のホログラム素子と射出瞳との間に視度補正レンズを
いれることにより観察者の見やすい距離に虚像を生成で
きる。また、請求項9に係る発明によれば、映像表示手
段により表示された映像は接眼光学系により虚像として
像を観察することができる。この時、観察者の瞳を接眼
光学系により形成される射出瞳近傍に位置させ光束を眼
球内に導くことが必要である。本構成ではホログラム素
子により映像表示手段から発せられる入射光束を複数の
光束に分離し、更に空気や透明な媒質等を挟んで離間し
て位置する回折格子やホログラム素子等の光束合成素子
に各々の光束が光軸垂直方向にずれて入射させる。そし
て光束合成素子の合成作用により観察者眼球側に光束を
合成し、拡大した射出瞳を形成する。このとき、ホログ
ラム素子を用いることで先に示した出願時未公開の回折
格子のみのものに比し、不必要な波長域の回折を起こさ
ずに光束合成素子に導けるので効率良く射出瞳の拡大が
図れる。
Furthermore, according to the invention of claim 8, a virtual image can be generated at a distance that is easy for an observer to see by inserting a diopter correction lens between the second hologram element and the exit pupil. According to the invention of claim 9, the image displayed by the image display means can be observed as a virtual image by the eyepiece optical system. At this time, it is necessary to position the observer's pupil near the exit pupil formed by the eyepiece optical system and guide the light beam into the eyeball. In this configuration, the incident light flux emitted from the image display means is separated into a plurality of light fluxes by the hologram element, and each of the light flux combining elements such as the diffraction grating and the hologram element, which are spaced apart by sandwiching air or a transparent medium, is used. The luminous flux is shifted in the direction perpendicular to the optical axis and is incident. Then, the light flux combining element combines the light fluxes toward the observer's eyeball side to form an enlarged exit pupil. At this time, by using a hologram element, it is possible to efficiently guide the beam to the beam combining element without causing diffraction in the unnecessary wavelength range, as compared to the above-mentioned one that has not been published at the time of filing and only the diffraction grating is used. Can be achieved.

【0020】[0020]

【実施例】以下、本発明の眼球投影型映像表示装置をい
くつかの実施例に基づいて説明する。図1は本願発明の
眼球投影型映像表示装置の一例であり、眼球投影型映像
表示装置を頭部に装着するための支持部13を備え、頭
頂部、側頭部及び図示しない前頭部にて使用者頭部を挟
持可能とし、全体として頭部装着型映像表示装置14を
構成している。そして図示しない使用者の左右眼球前方
にはそれぞれの眼球に対応した左眼用映像表示ユニット
15a及び右眼用映像表示ユニット15bが位置してい
る。また、使用者の両耳近傍位置にスピーカー16が設
けられ、音声と映像を同時に楽しむことができる構成と
なっている。以下に示す各実施例は、この頭部装着型映
像表示装置14の先の映像表示ユニット15a及び15
bのいずれかまたは両方の内部構成を示すものとする。 第1実施例 図2は、実施例1の頭部装着型映像表示装置の要部を示
す図であり、この眼球投影型映像表示装置は、映像表示
手段としてのRGB画素をマトリクス状に表示面に配し
たカラー液晶表示素子2に表示された映像を接眼光学系
の凸レンズ3で拡大像として使用者の眼球に投影するも
ので、液晶表示素子2はその背後に配置された照明系1
により照明され、その表示映像が写し出されるようにな
っている。そして、本発明に基づいて、接眼光学系の凸
レンズ3とその射出瞳6の間に第一のホログラム素子1
7及び第二のホログラム素子18が光軸に沿って順に配
されている。ここでのホログラム素子はいずれも透過型
ボリュームホログラムを用いている。第一のホログラム
素子17は三枚のホログラム素子を有しており、それぞ
れ光軸順に赤色光回折用ホログラム素子17r、緑色光
回折用ホログラム素子17g、青色光回折用ホログラム
素子17bで構成され、第二のホログラム素子18ユニ
ットもまた三枚のホログラム素子を有しており、それぞ
れ光軸順に赤色光回折用ホログラム素子18r、緑色光
回折用ホログラム素子18g、青色光回折用ホログラム
素子18bで構成されている。それぞれのホログラム素
子17r,17g,17b及び18r,18g,18b
は各々R,G,Bの光に対して強い波長選択性を持たせ
ており、具体的には各々R,G,B領域の波長で最高回
折効率を示し最高回折効率を示す波長のプラスマイナス
30nmの波長で先の最高回折効率の半分以下の回折効
率となるホログラム素子で構成している。図3はホログ
ラム素子の波長選択性を設定したときに得られる曲線の
一例を示すもので、回折効率が最も高いところの波長
(ブラッグの条件を満足する波長)を中心に、実質的に
幅のある波長の光のみが再生される。そして、赤色光回
折用ホログラム素子17r,18rを通過する赤色光の
一次回折光の屈折角αr , αr'、緑色光回折用ホログラ
ム素子17g,18gを通過する緑色光の一次回折光の
屈折角αg , αg'、青色光回折用ホログラム素子17
b,18bを通過する青色光の一次回折光の屈折角αb
, αb'をほぼ同じになるように設定し(αr =αr'=
αg=αg'=αb =αb')、また、赤色光回折用ホログ
ラム素子17r,18r間の距離と緑色光回折用ホログ
ラム素子17g,18g間の距離と青色光回折用ホログ
ラム素子17b,18b間の距離とをほぼ同じに構成し
ている。そして光線が射出する側に視度補正用の凹レン
ズ19を配している。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The eyeball projection type image display device of the present invention will be described below based on several embodiments. FIG. 1 is an example of an eyeball projection type image display device of the present invention, which includes a support portion 13 for mounting the eyeball type projection image display device on the head, and is provided on the crown, the temporal region, and the forehead (not shown). The user's head can be clamped by the user, and the head-mounted image display device 14 is configured as a whole. A left-eye image display unit 15a and a right-eye image display unit 15b corresponding to the respective eyeballs are located in front of the left and right eyes of the user (not shown). Further, the speaker 16 is provided in the vicinity of both ears of the user so that the user can enjoy audio and video at the same time. In each of the embodiments described below, the image display units 15a and 15 at the tip of the head-mounted image display device 14 are provided.
The internal structure of either or both of b is shown. First Embodiment FIG. 2 is a diagram showing a main part of a head-mounted image display device according to a first embodiment. This eye-projection image display device has RGB pixels as image display means in a matrix display surface. The image displayed on the color liquid crystal display element 2 arranged on the screen is projected on the eyeball of the user as a magnified image by the convex lens 3 of the eyepiece optical system, and the liquid crystal display element 2 is arranged behind the illumination system 1
It is illuminated by and the display image is displayed. Then, based on the present invention, the first hologram element 1 is provided between the convex lens 3 of the eyepiece optical system and its exit pupil 6.
7 and the second hologram element 18 are sequentially arranged along the optical axis. The hologram elements here are all transmission type volume holograms. The first hologram element 17 has three hologram elements, each of which is composed of a hologram element for red light diffraction 17r, a hologram element for green light diffraction 17g, and a hologram element for blue light diffraction 17b in the order of optical axes. The second hologram element 18 unit also has three hologram elements, each of which is composed of a red light diffraction hologram element 18r, a green light diffraction hologram element 18g, and a blue light diffraction hologram element 18b in the order of the optical axes. There is. Each hologram element 17r, 17g, 17b and 18r, 18g, 18b
Has a strong wavelength selectivity with respect to R, G, and B light, and specifically, shows the maximum diffraction efficiency at the wavelengths of the R, G, and B regions, respectively, plus or minus the wavelength at which the maximum diffraction efficiency is exhibited. The hologram element has a diffraction efficiency that is less than half the maximum diffraction efficiency at the wavelength of 30 nm. FIG. 3 shows an example of a curve obtained when the wavelength selectivity of the hologram element is set, and the width is substantially centered around the wavelength where the diffraction efficiency is highest (the wavelength satisfying the Bragg condition). Only light of a certain wavelength is regenerated. Then, the refraction angles αr and αr ′ of the first-order diffracted light of red light passing through the hologram elements 17r and 18r for red light, and the refraction angle αg of the first-order diffracted light of green light passing through the hologram elements 17g and 18g for green light diffraction. , αg ′, hologram element for blue light diffraction 17
refraction angle αb of the first-order diffracted light of blue light passing through b and 18b
, αb 'are set to be almost the same (αr = αr' =
αg = αg ′ = αb = αb ′), the distance between the red light diffraction hologram elements 17r and 18r, the distance between the green light diffraction hologram elements 17g and 18g, and the blue light diffraction hologram elements 17b and 18b. The distance and the distance are almost the same. A concave lens 19 for diopter correction is arranged on the side from which the light rays are emitted.

【0021】このように、第一及び第二のホログラム素
子17、18を配置すると、凸レンズ3を透過した平行
光(図では説明簡略のためその代表としての光軸光を示
す)は先ず第一のホログラム素子17に入射し、その、
各々の各色用ホログラム素子で赤色光のみ、緑色光の
み、次いで青色光のみの順で回折しそれぞれ赤色光R、
緑色光G、青色光Bのプラスマイナス一次光がαr 、α
g 、αb の回折角をもって第二のホログラム素子18に
入射する。第二のホログラム素子18に入射した各色の
光線は第一のホログラム素子17での回折角と同じ回折
角をもって回折され再び平行光になる。この時、各色の
光線は光軸からの距離がそれぞれ同じになるところで各
々のホログラム素子18r,18g18bで回折するた
め、第二のホログラム素子18を射出するときには色ズ
レがおきていない。つまり、射出瞳6でのプラスマイナ
ス一次光束の射出光軸垂直方向の各色の瞳ズレ量は0と
なる。この時の射出瞳径の変化についてであるが、ホロ
グラム素子17、18が無いときの瞳径をΦ=4mmと
し、ホログラム素子17、18での回折角を各々φ=3
0°とし、対応する各色用ホログラム素子間の距離を各
々L=tan(90°−φ)×Φ/2=3.5mmとす
ると、射出瞳径が二倍の8mmとなる。そして、更に視
度補正用の凹レンズ19を通過することで、使用者にと
って見やすい位置に像を導かれる。射出瞳6近傍に眼球
4を配することで網膜5上に鮮明な画像が導かれる。
When the first and second hologram elements 17 and 18 are arranged in this way, the parallel light (the optical axis light as a representative thereof is shown in the figure for simplification of the description) transmitted through the convex lens 3 Incident on the hologram element 17 of
Each of the hologram elements for each color diffracts red light only, green light only, and then blue light only in this order to obtain red light R,
Green light G, blue light B plus and minus primary light is αr, α
The light enters the second hologram element 18 with the diffraction angles of g and αb. The rays of light of the respective colors incident on the second hologram element 18 are diffracted at the same diffraction angle as that of the first hologram element 17 to become parallel rays again. At this time, since the light rays of the respective colors are diffracted by the hologram elements 18r and 18g18b where the distances from the optical axis are the same, there is no color shift when the second hologram element 18 is emitted. That is, the amount of pupil misalignment of each color in the direction perpendicular to the exit optical axis of the plus / minus primary light flux at the exit pupil 6 is zero. Regarding the change of the exit pupil diameter at this time, the pupil diameter without the hologram elements 17 and 18 is Φ = 4 mm, and the diffraction angles of the hologram elements 17 and 18 are φ = 3, respectively.
If the distance between the corresponding hologram elements for each color is L = tan (90 ° -φ) × Φ / 2 = 3.5 mm, the exit pupil diameter is doubled to 8 mm. Then, by further passing through the diopter correction concave lens 19, the image is guided to a position that is easy for the user to see. By placing the eyeball 4 near the exit pupil 6, a clear image is guided on the retina 5.

【0022】よって、開口数の小さい表示装置であって
も射出瞳の大きく且つ色むらの無い見やすい頭部装着型
映像表示装置が達成できる。次に第一実施例の変形例を
図4に示す。図4は図1に示した第1のホログラム素子
17及び第2のホログラム素子18の変形部分のみを示
し、他の構成は省略している。
Therefore, even with a display device having a small numerical aperture, a head-mounted image display device having a large exit pupil and no color unevenness can be achieved. Next, a modification of the first embodiment is shown in FIG. FIG. 4 shows only the modified portions of the first hologram element 17 and the second hologram element 18 shown in FIG. 1, and the other configurations are omitted.

【0023】第一のホログラム素子17内の各々の色に
対応したホログラム素子によるαr、αg 、αb の回折
角を変えたものである。この各々に回折角αr 、αg 、
αbに対応させて、第二のホログラム素子18内の各々
の色に対応したホログラム素子の回折角をαr'=αr 、
αg'=αg 、αb'=αb としている。そして、射出する
光束による射出瞳径が二倍になるように各々の対応する
ホログラム素子間の距離の設定を先に示したL=tan
(90°−φ)×Φ/2に従って配置させたものであ
る。そのため、第一実施例の各色回折用のホログラム素
子の配される順番が入れ替わっている。この様に構成し
ても同等の効果が得られる。
The diffraction angles of αr, αg and αb by the hologram elements corresponding to the respective colors in the first hologram element 17 are changed. For each of these diffraction angles αr, αg,
Corresponding to αb, the diffraction angles of the hologram elements corresponding to the respective colors in the second hologram element 18 are αr ′ = αr,
αg '= αg and αb' = αb. Then, the distance between the corresponding hologram elements is set to L = tan so that the exit pupil diameter by the emitted light flux is doubled.
It is arranged according to (90 ° −φ) × φ / 2. Therefore, the order in which the hologram elements for diffracting each color of the first embodiment are arranged is changed. Even with such a configuration, the same effect can be obtained.

【0024】また別の第一実施例の変形例を図5に示
す。これは、第二のホログラム素子18に代えて光路合
成用回折格子12を用いた場合の例である。これも同様
に変形部分のみ示し、他の構成は省略している。第一の
ホログラム素子17内の各々の色に対応したホログラム
素子によるαr、αg 、αb の回折角を変えたものであ
る。この各々に回折角αr 、αg 、αbに対応させて、
回折格子12の各々の色に対応した回折角をαr'=αr
、αg'=αg 、αb'=αb としている(正確には回折
格子12の回折効率に合わせてホログラム素子17の回
折角と位置を設定している)。そして、射出する光束に
よる射出瞳径が二倍になるように各々の対応するホログ
ラム素子及び回折格子間の距離の設定を先に示したL=
tan(90°−φ)×Φ/2に従って配置させたもの
である。そのため、第一実施例の各色回折用の素子を少
なく構成できる。この様に構成しても同等の効果が得ら
れる。
FIG. 5 shows another modification of the first embodiment. This is an example in which the optical path combining diffraction grating 12 is used instead of the second hologram element 18. Similarly, only the modified portion is shown, and other configurations are omitted. The diffraction angles of αr, αg, and αb by the hologram elements corresponding to the respective colors in the first hologram element 17 are changed. Corresponding to each of these diffraction angles αr, αg, αb,
The diffraction angles corresponding to the respective colors of the diffraction grating 12 are αr '= αr
, Αg ′ = αg, αb ′ = αb (correctly, the diffraction angle and position of the hologram element 17 are set in accordance with the diffraction efficiency of the diffraction grating 12). Then, the distance between the corresponding hologram element and the diffraction grating is set so that the exit pupil diameter by the emitted light flux is doubled.
It is arranged according to tan (90 ° -φ) × Φ / 2. Therefore, the number of elements for diffracting each color of the first embodiment can be reduced. Even with such a configuration, the same effect can be obtained.

【0025】また別の第一実施例の変形例を図6に示
す。これは、第一のホログラム素子18に代えて光路分
割用の回折格子11を用いた場合の例である。これも同
様に変形部分のみを示し、他の構成は省略している。回
折格子11の各々の色に対応したαr 、αg 、αb の回
折角に従い、この各々に回折角αr 、αg 、αb に対応
させて、第二のホログラム素子18内の各々の色に対応
したホログラム素子の回折角をαr'=αr 、αg'=αg
、αb'=αbとしている。そして、射出する光束による
射出瞳径が二倍になるように各々の対応する回折格子及
びホログラム素子間の距離の設定を先に示したL=ta
n(90°−φ)×Φ/2に従って配置させたものであ
る。そのため、第一実施例の各色回折用の素子を少なく
構成できる。この様に構成しても色ムラ補正しつつ射出
瞳を大きく構成できる。
FIG. 6 shows another modification of the first embodiment. This is an example in which the diffraction grating 11 for splitting the optical path is used instead of the first hologram element 18. This also shows only the deformed portion and omits other configurations. According to the diffraction angles of αr, αg, and αb corresponding to the respective colors of the diffraction grating 11, the holograms corresponding to the respective colors in the second hologram element 18 are associated with the respective diffraction angles αr, αg, and αb. The diffraction angles of the element are αr '= αr, αg' = αg
, Αb ′ = αb. Then, the distance between the corresponding diffraction grating and hologram element is set to L = ta so that the exit pupil diameter by the emitted light beam is doubled.
It is arranged according to n (90 ° -φ) × Φ / 2. Therefore, the number of elements for diffracting each color of the first embodiment can be reduced. Even with this structure, the exit pupil can be made large while correcting color unevenness.

【0026】以上の例は色ずれのない射出瞳を図7
(a)に示すごとく二つ縦や横に並べる方法を示した。
勿論射出瞳は必要に応じて図7(b)や図7(c)に示
す如く縦及び横方向等複数並べて構わない。これらの射
出瞳(a),(b),(c)を形成させる構成を図8
(a),(b),(c)にそれぞれ示す。図7(a)の
ような射出瞳を形成するためには、これまで示したよう
に、図8(a)の様に横方向に入射光束を二つに分割す
るホログラム素子を含んだの光束分割素子20や光束合
成素子21を用いればよい。
In the above example, the exit pupil having no color shift is shown in FIG.
As shown in (a), a method of arranging two vertically or horizontally is shown.
Of course, a plurality of exit pupils may be arranged in the vertical and horizontal directions as shown in FIGS. 7B and 7C, if necessary. A configuration for forming these exit pupils (a), (b), (c) is shown in FIG.
These are shown in (a), (b), and (c), respectively. In order to form the exit pupil as shown in FIG. 7A, as shown so far, a light flux including a hologram element that splits the incident light flux into two in the lateral direction as shown in FIG. 8A. The splitting element 20 and the light flux combining element 21 may be used.

【0027】図7(b)のような4つの射出瞳を縦横に
二つ並べて形成するためには、図8(b)のように光を
4つに回折させるホログラム素子を含んだの光束分割素
子20や光束合成素子21を用いればよい。図7(c)
のような6つの射出瞳を縦に二つ横に三つ並べるために
は、図8(c)に示す如く4つのホログラム素子等を使
えばよい。この4つとは射出瞳を縦に二倍の並べる為の
ホログラム素子を含んだの光束分割素子20a及び光束
合成光学21a、射出瞳を横に3倍に並べる為のホログ
ラム素子を含んだの光束分割素子20b及び光束合成素
子21bを用いればよい。
In order to form two four exit pupils vertically and horizontally as shown in FIG. 7 (b), a light beam split including a hologram element for diffracting light into four as shown in FIG. 8 (b). The element 20 or the light flux combining element 21 may be used. Figure 7 (c)
In order to arrange two such six exit pupils vertically and horizontally three, four hologram elements or the like may be used as shown in FIG. 8C. The four are the light beam splitting element 20a and the light beam combining optics 21a that include a hologram element for vertically arranging the exit pupils vertically, and the light beam splitting that includes a hologram element for horizontally arranging the exit pupils three times. The element 20b and the light flux combining element 21b may be used.

【0028】なお、ここで示した光束合成素子20,2
0a,20b及び光束合成素子21,21a,21bは
先に示した通り光路中で組となっているうちの何方か一
つがホログラム素子であればよく、そのホログラム素子
は赤色光回折用ホログラム素子、緑色光回折用ホログラ
ム素子、青色光回折用ホログラム素子とで構成されるこ
とが望ましい。 第2実施例 この実施例は、図9に示すように、第一実施例の透過型
ホログラムのかわりに反射型カラーホログラムを用いて
いる。以下同じ構成には同じ番号を付し説明は省略す
る。
The luminous flux combining elements 20 and 2 shown here are used.
0a, 20b and the light beam combining elements 21, 21a, 21b may be hologram elements if any one of the pairs in the optical path as described above is a hologram element for red light diffraction, It is desirable that the hologram element for green light diffraction and the hologram element for blue light diffraction are used. Second Embodiment In this embodiment, as shown in FIG. 9, a reflective color hologram is used instead of the transmission hologram of the first embodiment. Hereinafter, the same numbers are given to the same configurations and the description thereof is omitted.

【0029】図中22および23は反射型カラーホログ
ラムであり、特にこのホログラムとしてはリップマンホ
ログラムが適している。ここでは反射型カラーホログラ
ム22は光路を分割するための第一のホログラム素子で
あり、反射型カラーホログラム23は反射型カラーホロ
グラム22で分割された光路をふたたぶ眼球4側へ導く
ための第二のホログラム素子である。
Reference numerals 22 and 23 in the drawing are reflection type color holograms, and a Lippmann hologram is particularly suitable as this hologram. Here, the reflection type color hologram 22 is a first hologram element for dividing the optical path, and the reflection type color hologram 23 is a first hologram element for guiding the optical path divided by the reflection type color hologram 22 to the eyelid 4 side. The second hologram element.

【0030】映像表示手段としてのRGB画素をマトリ
クス状に表示面に配したカラー液晶表示素子2に表示さ
れた映像を接眼光学系の凸レンズ3で拡大像として使用
者の眼球に投影する。液晶表示素子2はその背後に配置
された照明系1により照明され、その表示映像が写し出
されるようになっている。そして、本発明に基づいて、
接眼光学系の凸レンズ3とその図示しない射出瞳の間に
反射型カラーホログラム22及び23が光軸の反射に沿
って順に配されている。ここでのホログラム素子はいず
れも反射型ホログラムを用いている。第一のホログラム
素子22は三枚(三層)の膜状態のホログラム素子を有
しており、それぞれ光軸順に赤色光回折用反射型ホログ
ラム素子(膜)、緑色光回折用反射型ホログラム素子
(膜)、青色光回折用反射型ホログラム素子(膜)で構
成され、第二のホログラム素子23もまた三枚(三層)
の膜状態のホログラム素子を有しており、それぞれ光軸
順に赤色光回折用反射型ホログラム素子(膜)、緑色光
回折用反射型ホログラム素子(膜)、青色光回折用反射
型ホログラム素子(膜)で構成されている。それぞれの
反射型ホログラム素子(膜)には各々R,G,Bの光に
対して強い波長選択性を持たせており、具体的には各々
R,G,B領域の波長で最高回折効率を示し最高回折効
率を示す波長のプラスマイナス30nmの波長で先の最
高回折効率の半分以下の回折効率となるホログラム素子
で構成している。そして、赤色光回折用反射型ホログラ
ム素子を反射する赤色光の一次回折光の反射角、緑色光
回折用反射型ホログラム素子を反射する緑色光の一次回
折光の反射角、青色光回折用反射型ホログラム素子を反
射する青色光の一次回折光の反射角の各0次反射方向に
対する角度の差をほぼ同じになるように設定し、また、
赤色光回折用反射型ホログラム素子間の距離と緑色光回
折用ホログラム素子間の距離と青色光回折用ホログラム
素子間の距離とをほぼ同じに構成すべくそれぞれの反射
型ホログラム素子22,23の表面に三層の素子(膜)
が状着された状態となっている。そして光線が射出する
側に視度補正用の凹レンズ19を配している。
The image displayed on the color liquid crystal display element 2 in which RGB pixels as image display means are arranged in a matrix on the display surface is projected as a magnified image on the eyeball of the user by the convex lens 3 of the eyepiece optical system. The liquid crystal display element 2 is illuminated by an illumination system 1 arranged behind the liquid crystal display element 2 so that its display image is projected. And based on the present invention,
Reflective color holograms 22 and 23 are sequentially arranged between the convex lens 3 of the eyepiece optical system and its exit pupil (not shown) along the reflection of the optical axis. The hologram elements here are all reflective holograms. The first hologram element 22 has three (three-layer) film-shaped hologram elements, each of which is a reflection hologram element for red light diffraction (film) and a reflection hologram element for green light diffraction (in order of optical axis). Film) and a reflection type hologram element (film) for blue light diffraction, and the second hologram element 23 also has three sheets (three layers).
And a hologram element in the form of a film, the reflection hologram element for red light diffraction (film), the reflection hologram element for green light diffraction (film), and the reflection hologram element for blue light diffraction (film). ). Each reflection hologram element (film) has a strong wavelength selectivity with respect to R, G, B light. Specifically, the maximum diffraction efficiency is obtained at the wavelengths of R, G, B regions. The hologram element has a diffraction efficiency that is half or less of the above-mentioned maximum diffraction efficiency at a wavelength of plus or minus 30 nm of the wavelength showing the maximum diffraction efficiency. Then, the reflection angle of the first-order diffracted light of red light reflected by the reflection hologram element for red light diffraction, the reflection angle of the first-order diffracted light of green light reflected by the reflection hologram element for green light diffraction, the reflection type for blue light diffraction The difference in the angle of reflection of the first-order diffracted light of blue light reflected by the hologram element with respect to each 0th-order reflection direction is set to be substantially the same, and
The surface of each reflection hologram element 22, 23 so that the distance between the reflection hologram elements for red light diffraction, the distance between the hologram elements for green light diffraction, and the distance between the hologram elements for blue light diffraction are made substantially the same. 3 layer device (film)
Is in a state of being worn. A concave lens 19 for diopter correction is arranged on the side from which the light rays are emitted.

【0031】このように、第一及び第二の反射型ホログ
ラム素子22、23を配置すると、凸レンズ3を透過し
た平行光(図では説明簡略のためその代表としての光軸
光を示す)は先ず反射型ホログラム素子22に入射し、
その、各々の各色用ホログラム素子で赤色光のみ、緑色
光のみ、次いで青色光のみの順で回折しそれぞれ赤色
光、緑色光、青色光のプラスマイナス一次光が同じ回折
角をもって反射型ホログラム素子23に入射する。この
ときの入射光であるが、それぞれの色の反射位置はほぼ
等しく且つ回折角が等しいのでそれぞれの色の光束がほ
ぼ重なって色ずれのない光束となっている。第二の反射
型ホログラム素子23に入射した各色の光線は第一の反
射型ホログラム素子22での回折角と同じ回折角をもっ
て回折され再び平行光になる。よって第二の反射型ホロ
グラム素子23を射出するときには色ズレがおきていな
い。つまり、図示しない射出瞳でのプラスマイナス一次
光束の射出光軸垂直方向の各色の瞳ズレ量はほぼ0とな
る。この時の射出瞳径の変化についてであるが、反射型
ホログラム素子22、23が無いときの瞳径をΦ=4m
mとし、反射型ホログラム素子22、23での反射光軸
に対する回折角を各々φ=30°とし、対応する各色用
ホログラム素子間の距離を各々L=tan(90°−
φ)×Φ/2=3.5mmとすると、射出瞳径がほぼ二
倍の8mmとなる。そして、更に視度補正用の凹レンズ
19を通過することで、使用者にとって見やすい位置に
像を導かれる。図示しない射出瞳近傍に眼球4を配する
ことで網膜上に鮮明な画像が導かれる。
When the first and second reflective hologram elements 22 and 23 are arranged in this way, the parallel light transmitted through the convex lens 3 (the optical axis light as a representative thereof is shown in the figure for simplification of the description) first. When it enters the reflective hologram element 22,
In each of the hologram elements for each color, only the red light, only the green light, and then only the blue light are diffracted in that order, and the plus / minus primary light of the red light, the green light, and the blue light respectively have the same diffraction angle, and the reflection hologram element 23. Incident on. The incident light at this time, the reflection positions of the respective colors are substantially the same and the diffraction angles are the same, so that the light beams of the respective colors are almost overlapped to form a light beam having no color shift. The light rays of the respective colors incident on the second reflective hologram element 23 are diffracted at the same diffraction angle as that of the first reflective hologram element 22 to become parallel light again. Therefore, no color shift occurs when the second reflective hologram element 23 is emitted. That is, the amount of pupil misalignment of each color in the direction perpendicular to the exit optical axis of the plus / minus primary light flux at the exit pupil (not shown) is almost zero. Regarding the change of the exit pupil diameter at this time, the pupil diameter when there are no reflection hologram elements 22 and 23 is Φ = 4 m
m, the diffraction angles with respect to the reflection optical axes of the reflection type hologram elements 22 and 23 are φ = 30 °, and the distance between the corresponding hologram elements for each color is L = tan (90 ° −
When φ) × Φ / 2 = 3.5 mm, the exit pupil diameter is almost doubled to 8 mm. Then, by further passing through the diopter correction concave lens 19, the image is guided to a position that is easy for the user to see. By placing the eyeball 4 near the exit pupil (not shown), a clear image is guided on the retina.

【0032】よって、開口数の小さい表示装置であって
も射出瞳の大きく且つ色むらの無い見やすい頭部装着型
映像表示装置が達成できる。また、反射型ホログラム素
子は透過型のホログラム素子とくらべ、波長選択性が強
く、クロストーク像が生じにくいという利点がある。そ
のため、各請求項に記載のホログラム素子を反射型ホロ
グラム素子とすることがより望ましい。 第3実施例 透過型ホログラムを用いたときの頭部装着型映像表示装
置の光学系を図10に示す。先に示したものと同じ構成
には同じ番号を付け説明は省略する。照明光学系として
の電球24、照明用凸レンズ25、カラー液晶表示素子
2、接眼光学系としての凹面鏡26、第一のホログラム
素子17、第二のホログラム素子18および−1乃至−
5ディオプターで調整可能な視度補正用の凹レンズ19
がそれぞれ使用者の左右眼球4に対応して配置されてい
る。低NA照明系としての豆電球24(点光源)からの
光は平行照明のための照明用凸レンズ25に入射し、ほ
ぼ平行光束となってカラー液晶表示素子2に入射する。
そして光束は凹面鏡26により拡大反射され、第一及び
第二のホログラム素子17,18に入射し凹レンズ19
を介して眼球4に光束が導かれる。低NA照明系として
は他に面光源とルーバーフィルムからなる低NA照明系
としてもよい。
Therefore, even with a display device having a small numerical aperture, a head-mounted image display device having a large exit pupil and no color unevenness can be achieved. Further, the reflection type hologram element has an advantage over the transmission type hologram element in that the wavelength selectivity is stronger and a crosstalk image is less likely to occur. Therefore, it is more desirable to use the hologram element described in each claim as a reflection hologram element. Third Embodiment FIG. 10 shows an optical system of a head-mounted image display device using a transmission hologram. The same components as those shown above are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. A light bulb 24 as an illumination optical system, a convex lens 25 for illumination, a color liquid crystal display element 2, a concave mirror 26 as an eyepiece optical system, a first hologram element 17, a second hologram element 18 and -1 to-.
Concave lens 19 for diopter correction that can be adjusted with 5 diopters
Are arranged corresponding to the left and right eyeballs 4 of the user, respectively. Light from a miniature electric bulb 24 (point light source) as a low NA illumination system enters a convex illumination lens 25 for parallel illumination, and becomes a substantially parallel light flux and enters the color liquid crystal display element 2.
Then, the light beam is magnified and reflected by the concave mirror 26, enters the first and second hologram elements 17 and 18, and enters the concave lens 19
A light beam is guided to the eyeball 4 via the. Alternatively, the low NA illumination system may be a low NA illumination system including a surface light source and a louver film.

【0033】また、全体として左右の光軸は内向きとな
っており、これは、図に示す通り視度補正用の凹レンズ
19の視度の距離と光軸が交差するまでの輻輳距離が等
しい方が自然に虚像を観察できる。このように構成して
も、開口数の小さい表示装置であっても射出瞳の大きく
且つ色むらの無い見やすい頭部装着型映像表示装置が達
成できる。
The left and right optical axes are directed inward as a whole, which means that the diopter distance of the concave lens 19 for diopter correction is equal to the convergence distance until the optical axis intersects, as shown in the figure. You can observe the virtual image more naturally. Even with such a configuration, it is possible to achieve a head-mounted image display device that has a large exit pupil and is easy to see without color unevenness even if the display device has a small numerical aperture.

【0034】また、以上示した実施例のおのおのの構成
は必要に応じて互いに置換可能である。また、特許請求
の範囲に記載した範囲内であれば種々の変更があって構
わない。
Further, the configurations of the respective embodiments shown above can be replaced with each other as necessary. Further, various modifications may be made within the scope described in the claims.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本願発明
によれば、コンパクトな光学系を使用しながらも収差の
発生が少なく、大きな射出瞳径を持つ眼球投影型映像表
示装置を提供することができる。更に本願発明によれ
ば、射出瞳の色むらのない良好な映像が得られる眼球投
影型映像表示装置を提供することができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to provide an eyeball projection type image display device having a large exit pupil diameter with a small amount of aberration while using a compact optical system. You can Further, according to the invention of the present application, it is possible to provide an eyeball projection type image display device capable of obtaining a good image without color unevenness of the exit pupil.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本願発明の眼球投影型映像表示装置を頭部装着
型映像表示装置に応用した図である。
FIG. 1 is a diagram in which an eyeball projection type image display device of the present invention is applied to a head mounted type image display device.

【図2】本願発明の第1実施例の概要を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an outline of a first embodiment of the present invention.

【図3】強い波長選択性の特性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a characteristic of strong wavelength selectivity.

【図4】第1実施例の部分変更例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a partially modified example of the first embodiment.

【図5】第1実施例の部分変更例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of a partial modification of the first embodiment.

【図6】第1実施例の部分変更例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of a partial modification of the first embodiment.

【図7】本発明による各種射出瞳の形状を表す図であ
る。
FIG. 7 is a diagram showing shapes of various exit pupils according to the present invention.

【図8】図7に示す各種射出瞳を形成するための各種光
束分割素子及び光束合成素子を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing various luminous flux splitting elements and luminous flux combining elements for forming various exit pupils shown in FIG.

【図9】本願発明の第2実施例の概要を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an outline of a second embodiment of the present invention.

【図10】本願発明の第3実施例の概要を示す図であ
る。
FIG. 10 is a diagram showing an outline of a third embodiment of the present invention.

【図11】接眼レンズの開口数が小さい場合の問題点を
説明するための図である。
FIG. 11 is a diagram for explaining a problem when the numerical aperture of the eyepiece lens is small.

【図12】回折格子を二枚用いたときの瞳拡大の様子を
説明するための図である。
FIG. 12 is a diagram for explaining how the pupil is enlarged when two diffraction gratings are used.

【符合の説明】[Description of sign]

1 照明系 2 液晶表示素子 3 凸レンズ 4 眼球 5 網膜 6 射出瞳 7 瞳孔 11 第一の回折格子 12 第二の回折格子 13 支持部 14 頭部装着型映像表示装置 15a,15b 映像表示ユニット 16 スピーカー 17 第一のホログラム素子 18 第二のホログラム素子 19 凹レンズ 20 光束分割素子 21 光束合成素子 22 反射型カラーホログラム 23 反射型カラーホログラム 24 電球 25 照明用凸レンズ 26 凹面鏡 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Illumination system 2 Liquid crystal display element 3 Convex lens 4 Eyeball 5 Retina 6 Exit pupil 7 Pupil 11 First diffraction grating 12 Second diffraction grating 13 Support part 14 Head-mounted image display device 15a, 15b Image display unit 16 Speaker 17 First hologram element 18 Second hologram element 19 Concave lens 20 Light flux splitting element 21 Light flux combining element 22 Reflective color hologram 23 Reflective color hologram 24 Light bulb 25 Illuminating convex lens 26 Concave mirror

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】映像を表示する映像表示手段と、 該映像表示手段から発せられる光束を集光して射出瞳を
形成し該射出瞳近傍に配された使用者眼球内の網膜上に
前記映像の像を形成させる接眼光学系とを有する眼球投
影型映像表示装置において、 前記接眼光学系が前記映像表示手段乃至前記射出瞳との
間の光路中に光軸に沿って順に離間して配された光束分
割素子及びホログラム素子とを有することを特徴とする
眼球投影型映像表示装置。
1. A video display unit for displaying a video image, and a light beam emitted from the video display unit is condensed to form an exit pupil, and the video image is displayed on a retina in a user's eye arranged near the exit pupil. In an eyeball projection type image display device having an eyepiece optical system for forming an image of, the eyepiece optical system is arranged in the optical path between the image display means to the exit pupil in order along the optical axis and spaced apart from each other. An eyeball projection type image display device having a light beam splitting element and a hologram element.
【請求項2】前記映像表示手段は該映像表示手段の発す
る光束に三原色の波長域を含ませるフルカラー映像表示
手段であり、 前記光束分割素子は前記三原色の波長域の入射光束を各
色各々複数の光束に分割させる構成であり、 前記ホログラム素子は前記分割された複数の光束のうち
プラス一次の各々の光束の射出光軸垂直方向のずれ量を
2mm以下に抑え且つマイナス一次の各々の光束の射出
光軸垂直方向のずれ量を2mm以下に抑えほぼ合致させ
て射出させる構成であることを特徴とする請求項1記載
の眼球投影型映像表示装置。
2. The image display means is a full-color image display means in which a light beam emitted from the image display means includes wavelength regions of three primary colors, and the light beam splitting element divides an incident light beam in the wavelength regions of the three primary colors into a plurality of colors. The hologram element is configured to divide the light beam into a plurality of light beams, and the hologram element suppresses the deviation amount of each plus primary light beam in the direction perpendicular to the optical axis of the split plurality of light beams to 2 mm or less and emits each minus primary light beam. 2. The eyeball projection type image display device according to claim 1, wherein the deviation amount in the direction perpendicular to the optical axis is suppressed to 2 mm or less and the light is projected so as to be substantially matched.
【請求項3】前記光束分割素子が第一のホログラム素子
であることを特徴とする請求項1または2記載の眼球投
影型映像表示装置。
3. The eyeball projection type image display device according to claim 1, wherein the light beam splitting element is a first hologram element.
【請求項4】請求項1記載のホログラム素子を第二のホ
ログラム素子とし、前記光束分割素子による前記三原色
の一次の回折角を各々αr,αg,αb とした時、該第二の
ホログラム素子による前記三原色の各々の一次の回折角
αr', αg', αb'を0.9 αr<αr'<1.1 αr, 0.9αg
<αg'<1.1 αg, 0.9αb <αb'<1.1 αb としたこと
を特徴とする請求項1乃至3記載の頭部装着型映像表示
装置。
4. When the hologram element according to claim 1 is used as a second hologram element and the primary diffraction angles of the three primary colors by the light beam splitting element are αr, αg and αb, respectively, the second hologram element is used. The first-order diffraction angles αr ′, αg ′, αb ′ of each of the three primary colors are 0.9 αr <αr ′ <1.1 αr, 0.9αg
4. The head-mounted image display device according to claim 1, wherein <αg ′ <1.1 αg, 0.9αb <αb ′ <1.1 αb.
【請求項5】前記光束分割素子が第一のホログラム素子
であることを特徴とする請求項4記載の眼球投影型映像
表示装置。
5. The eye projection type image display device according to claim 4, wherein the light beam splitting element is a first hologram element.
【請求項6】前記第一及び第二のホログラム素子が各々
異なる波長で最高回折効率を示し該最高回折効率を示す
波長のプラスマイナス30nmの波長で該最高回折効率
の半分以下の回折効率となる強い波長選択性を持つ複数
のホログラム素子により構成されていることを特徴とす
る請求項3および5記載の眼球投影型映像表示装置。
6. The first hologram element and the second hologram element each have a maximum diffraction efficiency at different wavelengths, and a diffraction efficiency less than half of the maximum diffraction efficiency at a wavelength of plus or minus 30 nm of the wavelength showing the maximum diffraction efficiency. The eyeball projection type image display device according to claim 3 or 5, wherein the hologram display device comprises a plurality of hologram elements having strong wavelength selectivity.
【請求項7】前記複数のホログラム素子が光軸に沿って
順に併設されたことを特徴とする請求項6記載の眼球投
影型映像表示装置。
7. The eyeball projection type image display device according to claim 6, wherein the plurality of hologram elements are sequentially provided along the optical axis.
【請求項8】前記接眼光学系が前記映像表示手段側から
順にパワーを有する接眼光学系、第一のホログラム素
子、第二のホログラム素子、視度補正レンズの順で構成
されたことを特徴とする請求項5,6および7記載の眼
球投影型映像表示装置。
8. The eyepiece optical system comprises an eyepiece optical system having power in order from the image display means side, a first hologram element, a second hologram element, and a diopter correction lens. The eyeball projection type image display device according to claim 5, 6, or 7.
【請求項9】映像を表示する映像表示手段と、 該映像表示手段から発せられた光束を集光して射出瞳を
形成し該射出瞳近傍に配された使用者眼球内の網膜上に
前記映像の像を形成させる接眼光学系とを有する眼球投
影型映像表示装置において、 前記接眼光学系が前記映像表示手段乃至前記射出瞳との
間の光路中に光軸に沿って順に離間して配されたホログ
ラム素子及び光束合成素子とを有することを特徴とする
眼球投影型映像表示装置。
9. An image display means for displaying an image, a light flux emitted from the image display means is condensed to form an exit pupil, and the exit pupil is formed on a retina in a user's eyeball disposed near the exit pupil. In an eyeball projection type image display device having an eyepiece optical system for forming an image of an image, the eyepiece optical system is arranged in the optical path between the image display means and the exit pupil so as to be sequentially separated along the optical axis. Eye-projection type image display device having a hologram element and a beam combining element.
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