JP2004012768A

JP2004012768A - Combiner optics

Info

Publication number: JP2004012768A
Application number: JP2002165556A
Authority: JP
Inventors: Kenji Hori; 堀　健治
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】コンバイナ光学系（所定の表示画像から射出する表示用光束を外界光束に重畳して使用者の眼の方向に導く反射光学素子を備えた光学系）の視野角の拡大を容易にする。
【解決手段】観察眼の光軸に交差するよう配置され、かつその観察眼の瞳位置に入射する外界光を透過する複数の基板（１５Ｍ，１５Ｓ）と、前記複数の基板に個別に設けられ、かつ、所定の画像上の互いに異なる領域を示す複数の表示用光束を、前記外界光に重畳して前記観察眼の瞳位置に個別に導く複数の反射光学素子（１７Ｍ，１７Ｓ）とを備えたことを特徴とする。
【選択図】　　　図１The present invention facilitates expansion of a viewing angle of a combiner optical system (an optical system including a reflective optical element that superimposes a display light flux emitted from a predetermined display image on an external light flux and guides the display light flux toward a user's eye). .
A plurality of substrates (15M, 15S) are disposed so as to intersect with the optical axis of an observation eye and transmit external light incident on a pupil position of the observation eye, and are separately provided on the plurality of substrates. And a plurality of reflective optical elements (17M, 17S) for individually superimposing a plurality of display light fluxes indicating different regions on a predetermined image with the external light and guiding them to a pupil position of the observation eye. It is characterized by having.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラム素子など、所定の画像から射出する表示用光束を外界光に重畳して使用者の眼の方向に導く反射光学素子を備えたコンバイナ光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アイグラスディスプレイ、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）、ウエラブルパソコンなどの情報表示装置に、コンバイナ光学系が使用される。
コンバイナ光学系には、所定の表示画像から射出する表示用光束を外界光に重畳して使用者の眼の方向に導く反射光学素子が備えられる。コンバイナ光学系は、表示用光束の波面を変換してから使用者の眼に入射させるので、使用者からはその表示画像が遠方にあるように見える。
【０００３】
因みに、反射光学素子としては、ＨＯＥ（ホログラム素子；Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｌｅｍｅｎｔ）やハーフミラーなどが使用されるが、回折により光の進行方向を支配するＨＯＥは、偏向作用だけでなく波面変換作用を単一の回折面（ホログラム面）で得ることができるので、コンバイナ光学系の小型化を可能とする。
ＨＯＥを使用したコンバイナ光学系（ホログラムコンバイナ光学系）は、外界光を透過させる平行平板（基板）内に、使用者の眼に対向する位置にＨＯＥを形成してなる。
【０００４】
このホログラムコンバイナ光学系においては、基板の外側に設けられた画像表示素子からの光束は、基板に入射した後、その基板の内部で複数回反射してからＨＯＥに導かれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、通常、コンバイナ光学系には、その視野角（使用者からみた画像の張る大きさ）を広く採ることが要求される。
【０００６】
しかしながら、光学設計上、コンバイナ光学系は、全体のサイズ、明るさなどの各スペックを満たす必要があり、それらを満たしつつ収差を悪化させずに視野角を拡げることは、非常に難しい。
そこで本発明は、視野角の拡大が容易な構成のコンバイナ光学系を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のコンバイナ光学系は、観察眼の光軸に交差するよう配置され、かつその観察眼の瞳位置に入射する外界光を透過する複数の基板と、前記複数の基板に個別に設けられ、かつ、所定の画像上の互いに異なる領域を示す複数の表示用光束を、前記外界光に重畳して前記観察眼の瞳位置に個別に導く複数の反射光学素子とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載のコンバイナ光学系は、請求項１に記載のコンバイナ光学系において、前記複数の基板は、前記光軸の方向に間隙を置いて配置されることを特徴とする。
請求項３に記載のコンバイナ光学系は、請求項１又は請求項２に記載のコンバイナ光学系において、前記複数の反射光学素子のうち少なくとも２つの反射光学素子は、前記表示用光束の射出光路が重複する重複領域を有し、前記２つの反射光学素子のうち前記瞳位置に近い側の反射光学素子の前記重複領域は、反射部と透過部とが混在した反射面になっていることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載のコンバイナ光学系は、請求項１又は請求項２に記載のコンバイナ光学系において、前記複数の反射光学素子のうち少なくとも２つの反射光学素子は、前記表示用光束の射出光路が重複する重複領域を有し、前記２つの反射光学素子は、互いに異なる波長選択性に設定されていることを特徴とする。
請求項５に記載のコンバイナ光学系は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のコンバイナ光学系において、前記反射光学素子は、ホログラム素子であることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。
図１、図２、図３に基づいて本発明の実施形態について説明する。
本実施形態では、本発明のコンバイナ光学系の構成を説明する。
なお、ここでは、コンバイナ光学系の一例として、アイグラスディスプレイに適用されるホログラムコンバイナ光学系を説明する。
【００１１】
図１は、アイグラスディスプレイの外観図であり、図２は、本実施形態のコンバイナ光学系１の構成及び光路を示す図である。なお、ホログラムコンバイナ光学系１は、図２の紙面に関し対称な形状をしている。
図１に示すように、アイグラスディスプレイは、眼鏡と似た外観をしている。アイグラスディスプレイにおいて眼鏡フレームと略同様の形状をした支持部材２に、ホログラムコンバイナ光学系１、光源ユニット３が固定されている。本実施形態では、光源ユニットとして２つの光源ユニット３Ｍ、３Ｓが固定されている。また、これら光源ユニット３Ｍ、３Ｓ内には、それぞれホログラムコンバイナ光学系１の一部を成す補正用光学系１８Ｍ、１８Ｓが配置される（図２参照）。
【００１２】
ホログラムコンバイナ光学系１は、使用者の一方の眼の前方に配置される。
以下、ホログラムコンバイナ光学系１は左眼用であり、左目の前方に配置されるとする。そこで、以下では、左眼の瞳Ｐの中心に原点を有したＸＹＺ直交座標系を定義する。図示したように、この座標の＋Ｚ方向は使用者の前方であり、＋Ｙ方向は使用者の左方であり、＋Ｘ方向は使用者の下方である。
【００１３】
先ず、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１には、主コンバイナ１Ｍが備えられる。
主コンバイナ１Ｍは、ＨＯＥ１７Ｍの形成された基板１５Ｍ、及び補正用光学系１８Ｍからなる（補正用光学系１８Ｍは、光源ユニット３Ｍの内部に配置されているので図１では不図示。）。
【００１４】
基板１５Ｍは、外界光を使用者の左眼に導くために、ＸＹ平面と平行に配置された透過性の硝子やプラスチックなどの平行平板などからなる（基板１５Ｍは、一方又は双方の表面が光学的パワーを有していてもよいが、簡単のため平行平板とする。）。
ＨＯＥ１７Ｍは、基板１５Ｍ内のＺ軸上に配置され、かつＸ軸に平行な軸の周りに傾斜した状態で設けられている。
【００１５】
なお、基板１５Ｍに対するＨＯＥ１７Ｍの形成は、例えば、ＨＯＥ１７Ｍを配置すべき面に沿って基板１５Ｍの原型を一旦２要素に切断し、２要素の切断部にＨＯＥ１７Ｍを挟み込んでからその２要素を接着剤（その屈折率は基板１５Ｍと実質的に同じである。）で接合すればよい。
ＨＯＥ１７Ｍは、反射型ホログラム素子であり、例えば体積型である。ＨＯＥ１７Ｍは、入射した表示用光束（後述）の波面の形状を平行光束に近い波面に変換するパワーを有する。
【００１６】
そして、この基板１５Ｍには、図１に示すように、光源ユニット３Ｍから出射された表示用光束が、例えば＋Ｙかつ−Ｚの方向から入射する。
なお、光源ユニット３Ｍ内には、透過型ＬＣＤなどからなる画像表示素子（静止画及び／又は動画を表示可能）や、補正光学系１８Ｍ（主コンバイナ１Ｍの一部である）などが配置されている。図２において、符号ＤＭで示すのは、画像表示素子の表示面である。
【００１７】
また、ＨＯＥ１７Ｍの波長選択性（回折効率のピーク波長）とこの光源ユニット３Ｍ内の光源波長とは互いに最適化されており、ＨＯＥ１７Ｍは、光源ユニット３Ｍからの表示用光束に作用する。
また、主コンバイナ１Ｍの各光学面の配置及び形状は、表示面ＤＭの配置位置や配置角度が考慮された上で最適化される。
【００１８】
したがって、光源ユニット３Ｍ内の表示面ＤＭから射出した表示用光束は、図２に示すように補正用光学系１８Ｍを介して基板１５Ｍに入射した後、その基板１５Ｍの＋Ｚ側の面及び−Ｚ側の面において順次反射を繰り返しつつＹＺ平面内を這うようにして基板１５Ｍ内を進行し、その後ＨＯＥ１７Ｍに入射して平行光束に近づき、−Ｚの方向に進み使用者の左眼の瞳Ｐに入射する。
【００１９】
さらに、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１には、主コンバイナ１Ｍに加え、副コンバイナ１Ｓが備えられる。
副コンバイナ１Ｓは、ＨＯＥ１７Ｓの形成された基板１５Ｓ、及び補正用光学系１８Ｓからなる（補正用光学系１８Ｓは、光源ユニット３Ｓの内部に配置されているので、図１では不図示。）。
【００２０】
この副コンバイナ１Ｓの基板１５Ｓは、主コンバイナ１Ｍの基板１５Ｍに対しＺ方向に重ねて配置される（以下、基板１５Ｓは、基板１５Ｍの＋Ｚ側に配置されるとする。）。
基板１５Ｓについても、基板１５Ｍと同様、ＸＹ平面と平行に配置された透過性の硝子やプラスチックなどの平行平板などからなる（基板１５Ｓは、一方又は双方の表面が光学的パワーを有していてもよいが、簡単のため平行平板とする。）。
【００２１】
また、ＨＯＥ１７Ｓについても、ＨＯＥ１７Ｍが基板１５Ｍに設けられるのと同様、基板１５Ｓ内のＺ軸上に配置され、かつＸ軸に平行な軸の周りに傾斜した状態で設けられている。
また、基板１５Ｓに対するＨＯＥ１７Ｓの形成も、基板１５Ｍに対するＨＯＥ１７Ｍの形成と同様、例えば、ＨＯＥ１７Ｓを配置すべき面に沿って基板１５Ｓの原型を一旦２要素に切断し、２要素の切断部にＨＯＥ１７Ｓを挟み込んでからその２要素を接着剤（その屈折率は基板１５Ｓと実質的に同じである。）で接合すればよい。
【００２２】
また、ＨＯＥ１７Ｓは、ＨＯＥ１７Ｍと同様、反射型ホログラム素子であり、例えば体積型である。ＨＯＥ１７Ｓは、入射した表示用光束（後述）の波面の形状を平行光束に近い波面に変換するパワーを有する。
そして、この基板１５Ｓには、図１に示すように、光源ユニット３Ｓから出射された表示用光束が、例えば＋Ｙかつ＋Ｚの方向から入射する。
【００２３】
なお、光源ユニット３Ｓ内には、透過型ＬＣＤなどからなる画像表示素子（静止画及び／又は動画を表示可能）や、補正光学系１８Ｓ（副コンバイナ１Ｓの一部である。）などが配置されている。図２において、符号ＤＳで示すのは、画像表示素子の表示面である。
また、ＨＯＥ１７Ｓの波長選択性（回折効率のピーク波長）とこの光源ユニット３Ｓ内の光源波長とは互いに最適化されており、ＨＯＥ１７Ｓは、光源ユニット３Ｓからの表示用光束に作用する。
【００２４】
また、副コンバイナ１Ｓの各光学面の配置及び形状は、表示面ＤＳの配置位置や配置角度が考慮された上で最適化される。因みに、図２では、最適化の結果、主コンバイナ１Ｍの各光学面の形状及び配置と副コンバイナ１Ｓの各光学面の形状及び配置とが若干異なった場合を示した。
したがって、光源ユニット３Ｓ内の表示面ＤＳから射出した表示用光束は、図２に示すように補正用光学系１８Ｓを介して基板１５Ｓに入射した後、その基板１５Ｓの＋Ｚ側の面及び−Ｚ側の面において順次反射を繰り返しつつＹＺ平面内を這うようにして基板１５Ｓ内を進行し、その後ＨＯＥ１７Ｓに入射して平行光束に近づき、−Ｚの方向に進み使用者の左眼の瞳Ｐに入射する。
【００２５】
なお、この副コンバイナ１Ｓは、上記した主コンバイナ１Ｍに対し固定されている。なお、副コンバイナ１Ｓを着脱可能とすれば、使用者が視野拡大を望まない場合にはこれを離脱し、アイグラスディスプレイを軽量に保つことができる。
また、主コンバイナ１Ｍ及び副コンバイナ１Ｓの内部でのそれぞれの反射作用を確保するために、副コンバイナ１Ｓの基板１５Ｓは、主コンバイナ１Ｍの基板１５Ｍに対し若干の空気間隙を置いて配置される。
【００２６】
さらに、副コンバイナ１Ｓの基板１５Ｓの大きさについては、軽量化のため、表示用光束を適正に通過させるだけの領域が確保されてさえいれば、なるべく小型化されていることが好ましい（例えば、Ｘ方向の長さを短くする。）。但し、使用者の左眼に入射する外界光を不適正な方向に屈折することのないよう、基板１５Ｓの端面（ＸＹ平面と非平行な面）はＸＹ平面に対し垂直であることが望ましい。
【００２７】
次に、本実施形態のアイグラスディスプレイでは、光源ユニット３Ｓ内の表示面ＤＳに表示される部分画像と、光源ユニット３Ｍ内の表示面ＤＭに表示される部分画像とは、単一の画像（大画像）の一部及び他の一部となるよう制御される。
図３は、主コンバイナ１ＭのＨＯＥ１７Ｍと副コンバイナ１ＳのＨＯＥ１７Ｓとの関係を説明する図である。
【００２８】
図３（ａ）は、ＨＯＥ１７ＭとＨＯＥ１７Ｓとの近傍をＹＺ平面と平行な平面で切断した断面の光路（表示面ＤＭ、表示面ＤＳの中心に向かう光線の光路）の概略図、図３（ｂ）は、ＨＯＥ１７ＭとＨＯＥ１７Ｓとを図３（ａ）中矢印の方向から見た図である。図３（ｃ）は、使用者の左眼からみた表示面ＤＭ、ＤＳの像（虚像）ＤＭ’、ＤＳ’である。なお、この虚像ＤＭ’、ＤＳ’は、ＨＯＥ１７Ｍ、ＨＯＥ１７Ｓの実際に配置される位置よりも遠方（＋Ｚ方向）に形成される。
【００２９】
本実施形態では、主コンバイナ１Ｍ、副コンバイナ１Ｓは、図３（ｃ）に示すように虚像ＤＭ’、ＤＳ’を、Ｙ方向にずらして形成するよう設計される。但し、虚像ＤＭ’、ＤＳ’の形成位置のＺ座標は、互いに同じとされる。
上述したように表示面ＤＳの画像と表示面ＤＭの画像とは単一の画像（大画像）の一部及び他の一部なので、虚像ＤＭ’と虚像ＤＳ’の全体は、単一の画像を示す。
【００３０】
したがって、使用者からは、単一の大画像が表示されているかのごとく見える。
このとき、主コンバイナ１Ｍの単体での視野角、副コンバイナ１Ｓの単体での視野角がそれぞれ従来と同じであったとしても、本実施形態の主コンバイナ１Ｍの視野角は、拡大する。
しかも、主コンバイナ１Ｍの収差、副コンバイナ１Ｓの収差を従来と同等に抑えれば、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１は、視野角が拡大したにも拘わらず、その収差は良好に保たれる。
【００３１】
すなわち、主コンバイナ１Ｍと副コンバイナ１Ｓとからなる本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１の構成は、視野角の拡大を容易にする。
なお、本実施形態のホログラムコンバイナ光学系１が形成する虚像ＤＭ’とＤＳ’とは、図３（ｃ）に示すようにオーバーラップしている必要は無く、互いに間隔を空けていてもよい。それら虚像ＤＭ’、ＤＳ’が単一の画像を示している場合には、人間の脳は、その間隔を自動的に補間して認識できるからである。
【００３２】
ここで、虚像ＤＭ’、虚像ＤＳ’をＹ方向に並べて形成するためには、図３（ａ）（ｂ）に示すように、ＨＯＥ１７Ｍ、ＨＯＥ１７Ｓも、Ｙ方向にこの順で配置されることが望ましい。
この順で配置されれば、ＨＯＥ１７Ｍが表示用光束に付与すべき偏向角度θＭ、及びＨＯＥ１７Ｓが表示用光束に付与すべき偏向角度θＳをそれぞれ小さくすることができるので、ＨＯＥ１７Ｍ、ＨＯＥ１７Ｓに起因する収差が小さく抑えられるからである。
【００３３】
また、虚像ＤＭ’と虚像ＤＳ’との境界については、使用者の眼（ここでは左目）の中央（Ｙ＝０）に存在すると目立つので、敢えて中央（Ｙ＝０）でなく左右（＋Ｙ又は−Ｙ）のどちらかにずらすことが好ましい。図３（ｃ）に示した例では、左（＋Ｙ）にずれている。よって、この場合、使用者からみて虚像ＤＭ’が主な画像、虚像ＤＳ’が副次的な画像となる。
【００３４】
また、ＨＯＥ１７ＭとＨＯＥ１７Ｓとの実際の位置ズレ量は、虚像ＤＭ’の形成位置と虚像ＤＳ’の形成位置とのズレ量と同じである必要はない。
ところで、図３（ａ）（ｂ）に示すように、ＨＯＥ１７ＭとＨＯＥ１７Ｓとが使用者の左眼からみてオーバーラップする（左眼に向かう表示用光束の射出光路が一部重複する）場合、使用者の左目からみて手前側（−Ｚ側）のＨＯＥ１７Ｍが、後ろ側（＋Ｚ側）のＨＯＥ１７Ｓにおける反射光束にも作用してしまう虞がある。
【００３５】
よって、手前側（−Ｚ側）のＨＯＥ１７Ｍのホログラムパターンについては、そのオーバーラップする領域Ｅ（図３（ｂ）参照）を、反射部と透過部が混在した反射面（但し、反射部と透過部との存在する密度は共に一様である。）とすることが好ましい。これは、例えば、ＨＯＥ１７Ｍのホログラムパターンを焼き付ける際、領域Ｅに相当する領域にストライプ状のマスクを形成すればよい。なお、領域ＥだけでなくＨＯＥ１７Ｍの全体をこのような反射面としてもよい。
【００３６】
或いは、光源ユニット３Ｍの光源波長と光源ユニット３Ｓの光源波長とをずらすと共に、主コンバイナ１Ｍの波長選択性（特に、ＨＯＥ１７Ｍの波長選択性）、副コンバイナ１Ｓとの波長選択性（特に、ＨＯＥ１７Ｓの波長選択性）をそれぞれ光源ユニット３Ｍの光源波長のみ、光源ユニット３Ｓの光源波長のみに感応するよう設定しておけば、たとえオーバーラップしても上述した虞は無くなる。
【００３７】
なお、本実施形態において、ＨＯＥ１７Ｍ、ＨＯＥ１７Ｓの何れか一方又は双方は、表示用光束の主光線の入射角度ａｏｉと反射角度ａｏｒとが（ａｏｉ−ａｏｒ＝０）になるべく近くなるよう設定されていることが望ましい。このようにすれば、ＨＯＥに起因して発生する色収差を小さく抑えることができるからである。
【００３８】
また、本実施形態のコンバイナ光学系の主コンバイナ１Ｍと副コンバイナ１Ｓとは、互いに異なる表示面ＤＭ、ＤＳからの表示用光束をそれぞれ導くものであったが、同一の表示面の互いに異なる領域からの表示用光束をそれぞれ導くよう設計されてもよい。その場合、本実施形態のアイグラスディスプレイの表示素子を、単一化できる。
【００３９】
また、本実施形態のコンバイナ光学系は、コンバイナを２つ（主コンバイナ１Ｍと副コンバイナ１Ｓとの２つ）設けたが、３つ以上設け、例えばＹ方向だけでなくＸ方向の視野角を拡大してもよい。
なお、本実施形態では、アイグラスディスプレイを説明したが、ＨＭＤ、ウエアラブルパソコンなどにも本実施形態のコンバイナ光学系は適用し得る。
【００４０】
また、本実施形態では、反射光学素子としてホログラム素子を用いたホログラムコンバイナ光学系を説明したが、ＨＯＥの代わりにハーフミラー、基板及び補正用光学系の代わりにレンズを使用したコンバイナ光学系にも本発明は適用し得る。
【００４１】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
【００４２】
本実施例は、上記実施形態のホログラムコンバイナ光学系の具体例である。
表１、表２、表３、表４、表５、表６、表７、表８は、本実施例の主コンバイナ１Ｍのレンズデータである。
なお、各表中の数値の単位は、個別の指定のないものは、長さは［ｍｍ］、角度は［°］である（表９以降も同様。）。
【００４３】
また、各表中の面番号の順序は、瞳Ｐから表示面ＤＭの方向とした。また、各面番号に対応する括弧内の符号は、図中各面に付与した符号である（表９以降も同様。）。
表１は、仕様、使用材料、各面の形状及び材料を示す表である。
表２は、第３面（ＨＯＥ１７Ｍ）の諸値を示す表である。
【００４４】
表３は、各面の位置と傾きを示す表である。
表４、表５、表６、表７、表８は、第３面（ＨＯＥ１７Ｍ）の入反射特性を示す表である。各表中、ｗ１〜ｗ５は、光線の波長を示す。
【表１】

【表２】

【表３】

【表４】

【表５】

【表６】

【表７】

【表８】

また、表９、表１０、表１１、表１２、表１３、表１４は、本実施例の副コンバイナ１Ｓのレンズデータである。
【００４５】
表９は、仕様、使用材料、各面の形状及び材料を示す表である。
表１０は、第５面（ＨＯＥ１７Ｓ）の諸値を示す表である。
表１１は、各面の位置と傾きを示す表である。
表１２、表１３、表１４、表１５、表１６は、第５面（ＨＯＥ１７Ｓ）の入反射特性を示す表である。各表中、ｗ１〜ｗ５は、光線の波長を示す。
【表９】

【表１０】

【表１１】

【表１２】

【表１３】

【表１４】

【表１５】

【表１６】

ここで、ＨＯＥのホログラムパターンを示す位相関数は、ＸＹ平面上の位置と指定した点に入射する光線の受ける光路差を、使用波長で規格化して表すものであり、式（１）で表される。
【数１】

この位相関数の係数は、６５個あって、順にＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃ６５とおき、係数の順番を整数ｊ（ｊ＝１，２，・・・，６５）で表すと（整数ｊと整数ｍ，ｎとの関係は式（２）である。）、式（３）で表される。
【数２】

【数３】

よって、表中の位相係数Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃ６５により規定されるＨＯＥの位相関数は、式（３）のとおりである。
【００４６】
図４、図５は、本実施例の主コンバイナ１Ｍの収差図（横収差図）である。
図６、図７は、本実施例の副コンバイナ１Ｓの収差図（横収差図）である。
各図において、Ｙ−ＦＡＮは、Ｙ方向の収差、Ｘ−ＦＡＮは、Ｘ方向の収差である。
図４は、上から順に、画角（０°，５．０００°）、（０°，２．５００°）、（０°，０．００°）、（０°，−２．５０°）、（０°，−５．００°）における収差を示し、図５は、上から順に、画角（６．６５°，５．００°）、（６．６５°，２．５０°）、（６．６５°，０．００°）、（６．６５°，−２．５０°）、（６．６５°，−５．００°）における収差を示す。
【００４７】
図６は、上から順に、画角（０°，１３．００°）、（０°，１１．００°）、（０°，９．００°）、（０°，７．０００°）、（０°，５．０００°）における収差を示し、図７は、上から順に、（６．６６°，１３．００°）、（６．６６°，１１．００°）、（６．６６°，９．００°）、（６．６６°，７．０００°）、（６．６６°，５．０００°）における収差を示す。
【００４８】
以上、本実施例によれば、射出瞳径が３ｍｍ程度に大きく、かつ視野角が１０度以上あるホログラムコンバイナ光学系が実現した。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、視野角の拡大が容易な構成のコンバイナ光学系が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】アイグラスディスプレイの外観図である。
【図２】本実施形態のコンバイナ光学系１の構成及び光路を示す図である。
【図３】主コンバイナ１ＭのＨＯＥ１７Ｍと副コンバイナ１ＳのＨＯＥ１７Ｓとの関係を説明する図である。
【図４】本実施例の主コンバイナ１Ｍの収差図（横収差図）である。
【図５】本実施例の主コンバイナ１Ｍの収差図（横収差図）である。
【図６】本実施例の副コンバイナ１Ｓの収差図（横収差図）である。
【図７】本実施例の副コンバイナ１Ｓの収差図（横収差図）である。
【符号の説明】
１　ホログラムコンバイナ光学系
１Ｍ　主コンバイナ
１Ｓ　副コンバイナ
２　支持部材
３Ｍ，３Ｓ　光源ユニット
１５Ｍ，１５Ｓ　基板
１７Ｍ，１７Ｓ　ＨＯＥ（ホログラム素子）
１８Ｍ，１８Ｓ　補正用光学系
Ｐ　瞳
ＤＭ，ＤＳ　表示面[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a combiner optical system including a reflection optical element such as a hologram element, which superimposes a display light flux emitted from a predetermined image on external light and guides the light toward a user's eye.
[0002]
[Prior art]
A combiner optical system is used for an information display device such as an eyeglass display, an HMD (head mounted display), and a wearable personal computer.
The combiner optical system includes a reflective optical element that superimposes a display light beam emitted from a predetermined display image on external light and guides the display light beam toward a user's eye. Since the combiner optical system converts the wavefront of the display light flux before making it incident on the user's eye, the user sees the displayed image as being far away.
[0003]
Incidentally, as the reflection optical element, a HOE (Holographic Optical Element) or a half mirror is used, but the HOE, which controls the traveling direction of light by diffraction, has not only a deflecting effect but also a wavefront converting effect. Can be obtained on the diffraction surface (hologram surface), and the size of the combiner optical system can be reduced.
A combiner optical system using a HOE (hologram combiner optical system) is formed by forming a HOE at a position facing a user's eye in a parallel plate (substrate) that transmits external light.
[0004]
In this hologram combiner optical system, a light beam from an image display element provided outside the substrate is incident on the substrate, is reflected a plurality of times inside the substrate, and is guided to the HOE.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, usually, the combiner optical system is required to have a wide viewing angle (the size of an image viewed from a user).
[0006]
However, in terms of optical design, the combiner optical system needs to satisfy various specifications such as the overall size and brightness, and it is extremely difficult to satisfy these and widen the viewing angle without deteriorating aberration.
Therefore, an object of the present invention is to provide a combiner optical system having a configuration in which the viewing angle can be easily enlarged.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The combiner optical system according to claim 1, wherein the plurality of substrates are arranged so as to intersect with the optical axis of the observation eye, and transmit external light incident on a pupil position of the observation eye, and the plurality of substrates are individually provided. And a plurality of reflective optical elements, each of which is provided with a plurality of display light fluxes indicating different regions on a predetermined image, and superposed on the external light, and individually guides them to a pupil position of the observation eye. Features.
[0008]
A combiner optical system according to a second aspect is the combiner optical system according to the first aspect, wherein the plurality of substrates are arranged with a gap in the direction of the optical axis.
The combiner optical system according to claim 3 is the combiner optical system according to

claim

1 or 2, wherein at least two of the plurality of reflective optical elements have an emission optical path of the display light flux. It has an overlapping area, and the overlapping area of the reflecting optical element closer to the pupil position among the two reflecting optical elements is a reflecting surface in which a reflecting portion and a transmitting portion are mixed. And
[0009]
The combiner optical system according to claim 4 is the combiner optical system according to

claim

1 or 2, wherein at least two of the plurality of reflective optical elements have an emission optical path of the display light flux. It has an overlapping area, and the two reflecting optical elements are set to have different wavelength selectivities.
A combiner optical system according to a fifth aspect is the combiner optical system according to any one of the first to fourth aspects, wherein the reflection optical element is a hologram element.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
An embodiment of the present invention will be described based on FIG. 1, FIG. 2, and FIG.
In the present embodiment, the configuration of the combiner optical system of the present invention will be described.
Here, a hologram combiner optical system applied to an eyeglass display will be described as an example of the combiner optical system.
[0011]
FIG. 1 is an external view of an eyeglass display, and FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration and an optical path of a combiner optical system 1 according to the present embodiment. The hologram combiner optical system 1 has a symmetrical shape with respect to the plane of FIG.
As shown in FIG. 1, the eyeglass display has an appearance similar to eyeglasses. A hologram combiner optical system 1 and a light source unit 3 are fixed to a support member 2 having substantially the same shape as an eyeglass frame in an eyeglass display. In the present embodiment, two

light source units

3M and 3S are fixed as light source units. Further, in these

light source units

3M and 3S, correction optical systems 18M and 18S forming part of the hologram combiner optical system 1 are arranged (see FIG. 2).
[0012]
The hologram combiner optical system 1 is arranged in front of one eye of a user.
Hereinafter, it is assumed that the hologram combiner optical system 1 is for the left eye and is arranged in front of the left eye. Therefore, in the following, an XYZ orthogonal coordinate system having an origin at the center of the pupil P of the left eye is defined. As shown, the + Z direction of these coordinates is in front of the user, the + Y direction is to the left of the user, and the + X direction is below the user.
[0013]
First, the hologram combiner optical system 1 of the present embodiment includes a main combiner 1M.
The main combiner 1M includes a substrate 15M on which the HOE 17M is formed, and a correction optical system 18M (not shown in FIG. 1 because the correction optical system 18M is disposed inside the light source unit 3M).
[0014]
The substrate 15M is made of a transparent flat plate such as transparent glass or plastic disposed in parallel with the XY plane in order to guide external light to the left eye of the user. Although it may have an objective power, it is a parallel plate for simplicity.)
The HOE 17M is disposed on the Z-axis in the substrate 15M and is provided in a state inclined about an axis parallel to the X-axis.
[0015]
The HOE 17M is formed on the substrate 15M, for example, by temporarily cutting the prototype of the substrate 15M into two elements along the surface where the HOE 17M is to be arranged, sandwiching the HOE 17M between the cut parts of the two elements, and bonding the two elements with an adhesive. (The refractive index is substantially the same as that of the substrate 15M.)
The HOE 17M is a reflection type hologram element, for example, a volume type. The HOE 17M has a power to convert the wavefront shape of the incident display light beam (described later) into a wavefront close to a parallel light beam.
[0016]
Then, as shown in FIG. 1, a display light beam emitted from the light source unit 3M is incident on the substrate 15M from, for example, + Y and -Z directions.
In the light source unit 3M, an image display element (a still image and / or a moving image can be displayed) such as a transmissive LCD, a correction optical system 18M (a part of the main combiner 1M), and the like are arranged. I have. In FIG. 2, what is indicated by a symbol DM is a display surface of the image display element.
[0017]
The wavelength selectivity (peak wavelength of the diffraction efficiency) of the HOE 17M and the light source wavelength in the light source unit 3M are mutually optimized, and the HOE 17M acts on the display light beam from the light source unit 3M.
The arrangement and shape of each optical surface of the main combiner 1M are optimized in consideration of the arrangement position and the arrangement angle of the display surface DM.
[0018]
Therefore, the display light flux emitted from the display surface DM in the light source unit 3M enters the substrate 15M via the correction optical system 18M as shown in FIG. 2, and then the + Z side surface of the substrate 15M and -Z Traveling in the substrate 15M so as to crawl in the YZ plane while successively repeating reflection on the side surface, thereafter enter the HOE 17M and approach a parallel light beam, and proceed in the -Z direction to the pupil P of the left eye of the user. Incident.
[0019]
Further, the hologram combiner optical system 1 of the present embodiment includes a sub-combiner 1S in addition to the main combiner 1M.
The sub-combiner 1S includes a substrate 15S on which the HOE 17S is formed, and a correction optical system 18S (not shown in FIG. 1 because the correction optical system 18S is disposed inside the light source unit 3S).
[0020]
The board 15S of the sub-combiner 1S is arranged so as to overlap the board 15M of the main combiner 1M in the Z direction (hereinafter, the board 15S is assumed to be arranged on the + Z side of the board 15M).
Similarly to the substrate 15M, the substrate 15S is formed of a parallel flat plate made of a transparent glass or plastic disposed in parallel with the XY plane (one or both surfaces of the substrate 15S have optical power. But a parallel plate for simplicity.)
[0021]
Further, the HOE 17S is also provided on the Z-axis in the substrate 15S and is inclined with respect to an axis parallel to the X-axis similarly to the case where the HOE 17M is provided on the substrate 15M.
In addition, the formation of the HOE 17S on the substrate 15S is similar to the formation of the HOE 17M on the substrate 15M. For example, the prototype of the substrate 15S is once cut into two elements along the surface where the HOE 17S is to be placed, and the HOE 17S is cut into the cut part of the two elements. After being sandwiched, the two elements may be joined with an adhesive (the refractive index is substantially the same as that of the substrate 15S).
[0022]
The HOE 17S is a reflection type hologram element like the HOE 17M, and is, for example, a volume type. The HOE 17S has the power to convert the wavefront shape of the incident display light beam (described later) into a wavefront close to a parallel light beam.
Then, as shown in FIG. 1, a display light beam emitted from the light source unit 3S enters the substrate 15S from, for example, + Y and + Z directions.
[0023]
Note that, in the light source unit 3S, an image display element (a still image and / or a moving image can be displayed), such as a transmissive LCD, and a correction optical system 18S (a part of the sub-combiner 1S) are arranged. ing. In FIG. 2, what is indicated by reference symbol DS is the display surface of the image display element.
Further, the wavelength selectivity (peak wavelength of diffraction efficiency) of the HOE 17S and the light source wavelength in the light source unit 3S are mutually optimized, and the HOE 17S acts on a display light beam from the light source unit 3S.
[0024]
The arrangement and shape of each optical surface of the sub-combiner 1S are optimized in consideration of the arrangement position and the arrangement angle of the display surface DS. Incidentally, FIG. 2 shows a case where the shape and arrangement of each optical surface of the main combiner 1M and the shape and arrangement of each optical surface of the sub-combiner 1S are slightly different as a result of the optimization.
Accordingly, the display light flux emitted from the display surface DS in the light source unit 3S enters the substrate 15S via the correction optical system 18S as shown in FIG. 2, and then the + Z side surface of the substrate 15S and -Z. While traveling in the substrate 15S in such a way as to crawl in the YZ plane while sequentially repeating reflection on the side surface, it then enters the HOE 17S and approaches a parallel light beam, proceeds in the -Z direction, and reaches the pupil P of the left eye of the user. Incident.
[0025]
The sub-combiner 1S is fixed to the main combiner 1M. If the sub-combiner 1S is made detachable, if the user does not want to enlarge the field of view, the user can remove it and keep the eyeglass display lightweight.
In addition, in order to secure the respective reflection actions inside the main combiner 1M and the sub-combiner 1S, the substrate 15S of the sub-combiner 1S is arranged with a slight air gap with respect to the substrate 15M of the main combiner 1M.
[0026]
Further, as for the size of the substrate 15S of the sub-combiner 1S, it is preferable that the substrate 15S be miniaturized as far as possible, as long as an area enough to appropriately transmit the display light flux is secured. Reduce the length in the X direction.) However, it is desirable that the end surface (the surface not parallel to the XY plane) of the substrate 15S is perpendicular to the XY plane so that the external light incident on the left eye of the user is not refracted in an inappropriate direction.
[0027]
Next, in the eyeglass display of the present embodiment, the partial image displayed on the display surface DS in the light source unit 3S and the partial image displayed on the display surface DM in the light source unit 3M are a single image ( Is controlled to be a part of the large image) and another part.
FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between the HOE 17M of the main combiner 1M and the HOE 17S of the sub-combiner 1S.
[0028]
FIG. 3A is a schematic view of an optical path (an optical path of a light ray going to the center of the display surface DM or the display surface DS) in a cross section obtained by cutting the vicinity of the HOE 17M and the HOE 17S by a plane parallel to the YZ plane, and FIG. 3) is a view of the HOE 17M and the HOE 17S viewed from the direction of the arrow in FIG. FIG. 3C shows images (virtual images) DM ′ and DS ′ of the display surfaces DM and DS as viewed from the left eye of the user. The virtual images DM 'and DS' are formed farther (+ Z direction) than the positions where the HOEs 17M and 17S are actually arranged.
[0029]
In the present embodiment, the main combiner 1M and the sub-combiner 1S are designed to form the virtual images DM 'and DS' shifted in the Y direction as shown in FIG. However, the Z coordinates of the formation positions of the virtual images DM ′ and DS ′ are the same.
As described above, since the image on the display surface DS and the image on the display surface DM are part of a single image (large image) and another part, the entirety of the virtual image DM ′ and the virtual image DS ′ is a single image. Is shown.
[0030]
Therefore, the user sees as if a single large image is being displayed.
At this time, even if the viewing angle of the main combiner 1M alone and the viewing angle of the sub-combiner 1S alone are the same as those in the related art, the viewing angle of the main combiner 1M of the present embodiment increases.
In addition, if the aberration of the main combiner 1M and the aberration of the sub-combiner 1S are suppressed to the same level as those of the related art, the hologram combiner optical system 1 of the present embodiment can maintain the aberrations satisfactorily despite the expansion of the viewing angle. It is.
[0031]
That is, the configuration of the hologram combiner optical system 1 of the present embodiment including the main combiner 1M and the sub-combiner 1S facilitates expansion of the viewing angle.
Note that the virtual images DM ′ and DS ′ formed by the hologram combiner optical system 1 of the present embodiment do not need to overlap as shown in FIG. 3C, and may be spaced apart from each other. This is because when the virtual images DM ′ and DS ′ represent a single image, the human brain can automatically interpolate and recognize the interval.
[0032]
Here, in order to form the virtual image DM ′ and the virtual image DS ′ side by side in the Y direction, as shown in FIGS. 3A and 3B, the HOE 17M and the HOE 17S may also be arranged in this order in the Y direction. desirable.
If arranged in this order, the deflection angle θM to be given to the display light beam by the HOE 17M and the deflection angle θS to be given to the display light beam by the HOE 17S can be reduced. Is kept small.
[0033]
Also, since the boundary between the virtual image DM ′ and the virtual image DS ′ is conspicuous when it exists at the center (Y = 0) of the user's eye (here, the left eye), it is not the center (Y = 0) but the left and right (+ Y or -Y). In the example shown in FIG. 3C, the position is shifted to the left (+ Y). Therefore, in this case, the virtual image DM 'is a main image and the virtual image DS' is a secondary image as viewed from the user.
[0034]
Further, the actual positional deviation amount between the HOE 17M and the HOE 17S does not need to be the same as the deviation amount between the formation position of the virtual image DM 'and the formation position of the virtual image DS'.
By the way, as shown in FIGS. 3A and 3B, when the HOE17M and the HOE17S overlap when viewed from the left eye of the user (when the emission optical paths of the display light flux toward the left eye partially overlap) When viewed from the left eye of the user, the HOE 17M on the near side (−Z side) may act on the reflected light beam on the HOE 17S on the rear side (+ Z side).
[0035]
Therefore, with respect to the hologram pattern of the HOE 17M on the near side (−Z side), the overlapping area E (see FIG. 3B) is reflected on the reflection surface (where the reflection part and the transmission part) where the reflection part and the transmission part are mixed. And the density of the portions is uniform). For example, when a hologram pattern of the HOE17M is printed, a stripe-shaped mask may be formed in a region corresponding to the region E. In addition, not only the region E but the entire HOE 17M may be used as such a reflection surface.
[0036]
Alternatively, the light source wavelength of the light source unit 3M and the light source wavelength of the light source unit 3S are shifted, and the wavelength selectivity of the main combiner 1M (particularly, the wavelength selectivity of the HOE 17M) and the wavelength selectivity of the sub combiner 1S (particularly, the HOE 17S If the wavelength selectivity) is set so as to be sensitive only to the light source wavelength of the light source unit 3M and only to the light source wavelength of the light source unit 3S, the above-mentioned danger is eliminated even if they overlap.
[0037]
In the present embodiment, one or both of the HOE 17M and the HOE 17S are set so that the incident angle aoi and the reflection angle aor of the principal ray of the display light flux are as close as possible to (aoi-aor = 0). It is desirable. This is because the chromatic aberration generated due to the HOE can be suppressed to a small value.
[0038]
Further, the main combiner 1M and the sub-combiner 1S of the combiner optical system of the present embodiment guide display light beams from different display surfaces DM and DS, respectively, but from different regions of the same display surface. May be designed to guide the display light flux. In that case, the display element of the eyeglass display of the present embodiment can be unified.
[0039]
Although the combiner optical system of the present embodiment has two combiners (two of the main combiner 1M and the sub-combiner 1S), three or more combiners are provided, for example, to increase the viewing angle not only in the Y direction but also in the X direction. May be.
In the present embodiment, the eyeglass display is described, but the combiner optical system of the present embodiment can be applied to an HMD, a wearable personal computer, and the like.
[0040]
In the present embodiment, the hologram combiner optical system using the hologram element as the reflection optical element has been described. However, the present invention is also applicable to a combiner optical system using a half mirror instead of the HOE, a substrate, and a lens instead of the correction optical system. The present invention is applicable.
[0041]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described.
[0042]
This example is a specific example of the hologram combiner optical system of the above embodiment.
Table 1, Table 2, Table 3, Table 4, Table 5, Table 6, Table 7, and Table 8 are lens data of the main combiner 1M of the present embodiment.
The unit of the numerical values in each table is [mm] for the length and [°] for the angle unless otherwise specified (the same applies to Table 9 and thereafter).
[0043]
The order of the surface numbers in each table is in the direction from the pupil P to the display surface DM. Reference numerals in parentheses corresponding to respective surface numbers are reference numerals assigned to respective surfaces in the figure (the same applies to Table 9 and subsequent drawings).
Table 1 is a table showing specifications, materials used, shapes and materials of each surface.
Table 2 is a table showing various values of the third surface (HOE17M).
[0044]
Table 3 is a table showing the position and inclination of each surface.
Table 4, Table 5, Table 6, Table 7, and Table 8 are tables showing the input / reflection characteristics of the third surface (HOE17M). In each table, w1 to w5 indicate wavelengths of light rays.
[Table 1]

[Table 2]

[Table 3]

[Table 4]

[Table 5]

[Table 6]

[Table 7]

[Table 8]

Table 9, Table 10, Table 11, Table 12, Table 13, and Table 14 show lens data of the sub-combiner 1S of this embodiment.
[0045]
Table 9 is a table showing specifications, materials used, shapes and materials of each surface.
Table 10 is a table showing various values of the fifth surface (HOE17S).
Table 11 is a table showing the position and inclination of each surface.
Table 12, Table 13, Table 14, Table 15, and Table 16 are tables showing the input / reflection characteristics of the fifth surface (HOE17S). In each table, w1 to w5 indicate wavelengths of light rays.
[Table 9]

[Table 10]

[Table 11]

[Table 12]

[Table 13]

[Table 14]

[Table 15]

[Table 16]

Here, the phase function indicating the hologram pattern of the HOE expresses the optical path difference received by the light beam incident on the position on the XY plane and the designated point, normalized by the used wavelength, and is expressed by Expression (1). You.
(Equation 1)

There are 65 coefficients of this phase function, C1, C2,..., C65 in order, and the order of the coefficients is expressed by an integer j (j = 1, 2,..., 65) (an integer j And the integers m and n are represented by Expression (2).) And Expression (3).
(Equation 2)

[Equation 3]

Therefore, the phase function of the HOE defined by the phase coefficients C1, C2,..., C65 in the table is as shown in equation (3).
[0046]
4 and 5 are aberration diagrams (transverse aberration diagrams) of the main combiner 1M of the present embodiment.
6 and 7 are aberration diagrams (lateral aberration diagrams) of the sub-combiner 1S of the present embodiment.
In each figure, Y-FAN represents aberration in the Y direction, and X-FAN represents aberration in the X direction.
FIG. 4 shows the angles of view (0 °, 5.000 °), (0 °, 2.500 °), (0 °, 0.00 °), (0 °, -2.50 °) in order from the top. , (0 °, -5.00 °), and FIG. 5 shows, from the top, angles of view (6.65 °, 5.00 °), (6.65 °, 2.50 °), 9 shows aberrations at (6.65 °, 0.00 °), (6.65 °, −2.50 °), and (6.65 °, −5.00 °).
[0047]
FIG. 6 shows the angles of view (0 °, 13.00 °), (0 °, 11.00 °), (0 °, 9.00 °), (0 °, 7.000 °), FIG. 7 shows aberrations at (0 °, 5.000 °), and FIG. 7 shows (6.66 °, 13.00 °), (6.66 °, 11.00 °), and (6.66) in order from the top. °, 9.00 °), (6.66 °, 7.000 °), and (6.66 °, 5.000 °).
[0048]
As described above, according to the present embodiment, a hologram combiner optical system having an exit pupil diameter as large as about 3 mm and a viewing angle of 10 degrees or more has been realized.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a combiner optical system having a configuration in which the viewing angle can be easily enlarged is realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of an eyeglass display.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration and an optical path of a combiner optical system 1 according to the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between the HOE 17M of the main combiner 1M and the HOE 17S of the sub-combiner 1S.
FIG. 4 is an aberration diagram (transverse aberration diagram) of the main combiner 1M of the present embodiment.
FIG. 5 is an aberration diagram (transverse aberration diagram) of the main combiner 1M of the present embodiment.
FIG. 6 is an aberration diagram (lateral aberration diagram) of the sub-combiner 1S of the present embodiment.
FIG. 7 is an aberration diagram (lateral aberration diagram) of the sub-combiner 1S of the present embodiment.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 hologram combiner optical system 1M main combiner 1S sub-combiner 2

support members

3M, 3S

light source unit

15M, 15S substrates 17M, 17S HOE (hologram element)
18M, 18S Correction optical system P Pupil DM, DS Display surface

Claims

A plurality of substrates that are arranged so as to intersect the optical axis of the observation eye, and that transmit external light incident on the pupil position of the observation eye,
A plurality of reflective optics individually provided on the plurality of substrates, and a plurality of display luminous fluxes indicating different regions on a predetermined image are superimposed on the external light and individually guided to a pupil position of the observation eye. A combiner optical system comprising: an element;

The combiner optical system according to claim 1,
The combiner optical system, wherein the plurality of substrates are arranged with a gap in the direction of the optical axis.

The combiner optical system according to claim 1 or 2,
At least two reflective optical elements of the plurality of reflective optical elements have an overlapping area where emission optical paths of the display light flux overlap,
The combiner optical system, wherein the overlapping area of the reflective optical element closer to the pupil position among the two reflective optical elements is a reflective surface in which a reflective portion and a transmissive portion are mixed.

The combiner optical system according to claim 1 or 2,
At least two reflective optical elements of the plurality of reflective optical elements have an overlapping area where emission optical paths of the display light flux overlap,
The two reflecting optical elements are set to have different wavelength selectivities from each other.

In the combiner optical system according to any one of claims 1 to 4,
The combiner optical system, wherein the reflection optical element is a hologram element.