JP2010039086A - 照明光学装置及び虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非対称な照明光を効率よく生成し、周辺輝度を落とさずに照明の効率を向上させる照明光学装置及びこの照明光学装置を照明光学系として備えた虚像表示装置を提供する。
【解決手段】虚像表示装置１は、光源６、光源６からの光を導くライトパイプ７と、ライトパイプ７の射出面１０側に配置された拡散板８と、拡散板８からの照明光が照射され、画像に応じて変調された画像光を得る空間光変調部３と、空間光変調部３からの画像光を平行光束群に変換し投射するコリメート光学系１１と、平行光束群が入射され、内部で全反射を繰り返しながら伝播する導光板１２とを有する。そして、ライトパイプ７は、ライトパイプ射出面１０の水平方向の幅が記空間光変調部の幅より大きく、ライトパイプ射出面１０垂直方向の幅が空間光変調部３の幅より小さく設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置における空間光変調部の照明に適用される照明光学装置、及びこの照明光学装置を照明光学系として備えた虚像表示装置に関する。

従来、２次元画像を、虚像表示光学系により拡大虚像として観察者に観察させるように表示する虚像表示装置が提案されている。例えば特許文献１では、空間光変調部で得られた画像光を導光板の内部で全反射しながら繰り返し伝播し、画像を虚像として観察者に観察できるようにした虚像表示装置が提案されている。

図１６に、特許文献１に開示された虚像表示装置の例を示す。この虚像表示装置１００は、図１６Ａの概略平面図及び図１６Ｂの概略側面図に示すように、照明光学系１０１と、照明光により画像を表示する空間光変調部１０２と、虚像表示光学系１０３とを有して成る。

照明光学系１０１は、光源１０４と、先細り型のライトパイプ１０５と、２枚の１軸フレネルレンズ１０６［１０６Ａ，１０６Ｂ］と、拡散板１０７と，偏光ビームスプリッタ１０８とから構成される。照明光学系１０１では、光源１０４からの照明光が、ライトパイプ１０５内で全反射を繰り返しながら射出し、更に２枚のフレネルレンズ１０６、拡散板１０７、偏光ビームスプリッタ１０８を通して空間光変調部１０２に入射される。光源１０４としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。空間光変調部１０２としては、反射型空間光変調部、例えば反射型液晶パネルが用いられる。

１軸フレネルレンズ１０６Ａ及び１０６Ｂは、それぞれ光学パワーをもつ方向が直交して配置され、さらに互いの光学パワー（すなわち焦点距離）が異なっている。１軸フレネルレンズ１０６Ａ及び１０６Ｂから成る光学レンズは光学パワーを持つ方向に沿って拡散性が異なる。拡散板１０７は、光学パワーが大きい方向に沿って拡散性が大きくなっている。これにより、拡散板１０７から射出された照明光は、両フレネルレンズ１０６Ａ，１０６Ｂの光学特性及び拡散板１０７の拡散性によって、出射角及び開口数（ＮＡ）が調整されて偏光ビームスプリッタ１０８に入射される。

偏光ビームスプリッタ１０８に入射された照明光は、例えばＳ偏光成分のみが反射され、反射型空間光変調部１０２を照明する。反射型空間光変調部１０２において、画像に応じて変調された画像光は、反射して偏光ビームスプリッタ１０８を通過し、虚像表示光学系１０３に入る。

虚像表示光学系１０３は、コリメート光学系１１０と、薄い平板型の導光板１１２と、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１１３及び第２の反射型体積ホログラムグレーティング１１４とを有して成る。第１の反射型体積ホログラムグレーティング１１３は、導光板１１２のコリメート光学系１１０と対向する一端側の光学面（背面）１１５に配置される。第２の反射型体積ホログラムグレーティング１１４は、導光板１１２の観察者の瞳１１７と対向する他端側の光学面（背面）１１６に配置される。

コリメート光学系１１０で平行光束群に変換された画像光は、光学面１１５より導光板１１２の一端側に入射され、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１１３で回折反射された後に、導光板１１２内で全反射を繰り返しながら他端側へ伝播する。導光板１１２の他端側に伝播した画像光は、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１１４で回折反射され、光学面１１５から出射して観察者の瞳１１７に入射される。このようにして、虚像表示装置１００では、空間光変調部１０２で得られた画像が、虚像表示光学系１０３により拡大虚像として観察される。

特開２００７−１２５３０号公報

上記虚像表示装置１００では、画像光が導光板１１２の内部で全反射を繰り返しながら伝播することで、コリメート光学系１１０からの照明光のＸ方向の主光線角度が、空間光変調部１０２に対してほぼ垂直、すなわちテレセントリックに設定される。しかし、Ｙ方向の主光線角度は、垂直から離れている。ここで、Ｘ方向は導光板１１２の伝播方向、Ｙ方向は導光板１１２の伝播方向に垂直な方向である。このように、照明光は、導光板１１２におけるＸ方向とＹ方向について非対称性が非常に強い。特に、Ｙ方向の必要な照明範囲は広角度となっているため、使用する拡散板１１２の光拡散角も大きく設定する必要があるが、Ｙ方向の必要なＮＡ（開口数）が小さいため、照明の効率が低下するという問題があった。また、光拡散角を小さく設定すると照明の効率は向上するが、周辺の明るさが不足するといった問題があった。

本発明は、上述の点に鑑み、非対称な照明光を効率よく生成し、周辺輝度を落とさず照明の効率を向上させる照明光学装置、及びこの照明光学装置を照明光学系として備えた虚像表示装置を提供するものである。

本発明に係る照明光学装置は、光源と、光源からの照明光を導くライトパイプと、ライトパイプの射出面側に配置された拡散板とを有する。さらに本発明では、ライトパイプを、ライトパイプの射出面の水平方向の幅が被照明体の幅より大きく、ライトパイプの射出面の垂直方向の幅が被照明体の幅より小さく設定された構成とする。

本発明の照明装置では、ライトパイプの射出面の水平方向の幅が被照射体の幅より大きくすることにより、被照射体上の水平方向における位置によらず均一な光線角度分布が得られる。また、ライトパイプの射出面の垂直方向の幅が被照射体の幅より小さくすることにより、被照射体上の位置に比例して、光線角度が中心から離れる方向にシフトするような分布が得られる。このように、水平方向と垂直方向とで異方性をもつ照明光が生成される。

本発明に係る虚像表示装置は、光源と、光源からの光を導くライトパイプと、ライトパイプの射出面側に配置された拡散板と、拡散板からの照明光が照射され、画像に応じて変調された画像光を得る空間光変調部と、空間光変調部からの画像光を平行光束群に変換し投射するコリメート光学系と、平行光束群が入射され、内部で全反射を繰り返しながら伝播する導光板とを有する。さらに本発明では、ライトパイプを、ライトパイプの射出面の水平方向の幅が空間光変調部の幅より大きく、ライトパイプの射出面の垂直方向の幅が空間光変調部の幅より小さく設定された構成とする。

本発明の虚像表示装置では、照明光学系を構成するライトパイプにおいて、ライトパイプの射出面の水平方向の幅を空間光変調部の幅より大きく、ライトパイプの射出面の垂直方向の幅を空間光変調部の幅より小さく設定している。ライトパイプの射出面の水平方向の幅が被照射体の幅より大きくすることにより、被照射体上の水平方向における位置によらず均一な光線角度分布が得られる。また、ライトパイプの射出面の垂直方向の幅が被照射体の幅より小さくすることにより、被照射体上の位置に比例して、光線角度が中心から離れる方向にシフトするような分布が得られる。このように、水平方向と垂直方向とで異方性をもつ照明光が生成される。

本発明係る照明光学装置によれば、非対称な照明光を効率的に生成し、周辺輝度を落とさずに照明の効率を向上させることができる。
本発明に係る虚像表示装置によれば、その照明光学系において、非対称な照明光を効率的に生成し、周辺輝度を落とさずに照明の効率を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

［実施の形態の構成］
図１及び図２に、本発明の係る虚像表示装置の一実施の形態を示す。図１は、本実施の形態の虚像表示装置の概略構成を示す平面図である。この図１では、観察者の瞳が虚像表示装置を観察した状態を示している。図２は、同概略構成を示す側面図である。図１及び図２においては共通するＸＹＺ座標系を示し、観察者の瞳に対して左右（水平）方向をＸ方向、上下（垂直）方向をＹ方向、奥行き方向をＺ方向として示す。

本実施の形態に係る虚像表示装置１は、図１及び図２に示すように、本発明の照明光学装置（以下、照明光学系という）２と、空間光変調部３と、虚像表示光学系４とを有して成る。空間光変調部３は、照明光学系２からの照明光が照射され、画像に応じて変調された画像光が得られるものである。本例では空間光変調部３を透過型空間光変調部としており、例えば透過型液晶パネルを用いている。

照明光学系２は、光源６と、光源６からの照明光が入射されるライトパイプ７と、ライロパイプ７の射出面１０側に配置された拡散板８とから構成される。光源６は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等を用いることができる。ライトパイプ７は、光源６に対向または対接する光の入射面（すなわち入射口）９から拡散板８に対向または対接する光の射出面（すなわち射出口）１０に向かって断面積が広がるようにテーパ状に形成される。ライトパイプ７は、全体の構造でみると、いわゆる先細り型に形成される。そして、このライトパイプ７は、その射出面１０の水平方向の幅ｄ１が空間光変調部３の幅（水平方向の幅）ｄ３より大きく、射出面１０の垂直方向の幅ｄ２が空間光変調部３の幅（垂直方向の幅）ｄ４より小さく設定される。空間光変調部３としては、通常、４：３または１６：９の長方形に構成したものを用いることができる。なお、空間光変調部３としては、他の縦横比の四角形状のものを用いることも可能である。

拡散板８は、入射した光線を中心にガウス分布の広がりで拡散するものであり、入射した光線分布を中心に射出角及び開口数（ＮＡ）が調整されるように構成される。拡散板８は、ライトパイプ７の射出面１０と同じ大きさ、形状を有して、あるいはライトパイプ７の射出面１０より大きい面積を有して構成される。

空間光変調部３は、この拡散板１２から所要の空間を挟んで配置される。空間光変調部３と拡散板１２とが近づき過ぎると、拡散板１２の模様が見えてしまうので、空間光変調部３は、拡散板１２との距離を拡散板１２の模様が見えないように離して配置する必要がある。

虚像表示光学系４は、ファインダー光学系等のコリメート光学系１１と、ホログラム構造を有する導光板１２とを有して構成される。コリメート光学系１１では、空間光変調部３からの画像光を画角が異なる平行光束群として導光板１２へ入射するように構成される。導光板１２は、薄い平板型に形成され、観察者の瞳１３に対し奥行き方向に相対向する光学面１４及び１５を有する。

導光板１２の一方の光学面１４が、瞳１３、コリメート光学系１１と対向している。導光板１２の他方の光学面１５には、コリメート光学系１１と対向する一端側に第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６が配置され、瞳１３と対向する他端側に第２の反射型体積ホログラムグレーティング１７が配置される。本例では第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６は、位置に係わらず均等なホログラム表面の干渉縞を有する構成とされる。第２の反射型体積ホログラムグレーティング１７も第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６と同じ構成とされ、両反射型体積ホログラムグレーティング１６及び１７は互いに向かい合わせに配置される。記導光板１２の一方の光学面１４の一端側がコリメート光学系１１から射出される画像光が入射する入射部１４Ａとされ、光学面１４の他端側が瞳１３に向かって画像光が射出する射出部１４Ｂとされる。

［動作の基本説明］
次に、上述の虚像表示装置１の基本の動作を説明する。虚像表示装置１では、光源６から射出した照明光が、光源６に光学的に密着されたライトパイプ７の面積が小さい入射面９より入射し、一部の光線が内部で全反射を繰り返した後、射出面１０より射出する。射出面１０より射出した照明光は、続いて配置された拡散板８に入射する。拡散板８では、前述した入射した光線分布を中心に射出角及び開口数（ＮＡ）調整されて、照明光が射出される。

この照明光は、透過型空間光変調部３を照明する。そして、この透過型の空間光変調部３によって、例えば表示する映像に対応して変調された画像光が射出され、例えばそのＰ偏光成分のみが射出面から射出する。画像光は、図１に示すＸＺ平面においては、前述したコリメート光学系１１にて画角（すなわち、透過型空間光変調部３の各画素から射出される光の射出角）が互いに異なる平行光束群とされる。この平行光束群は、これとは直交するＹＺ平面において、図２に示すように、画角が互いに異なる光束群とされて導光板１２に入射する。図１においては、ＸＺ平面における代表的な平行光束Ｌａ、Ｌｂ及びＬｃを示す。図２においては、ＹＺ平面における代表的な平行光束ＬＡ、ＬＢ及びＬＣを示す。

導光板１２は、図１において、左右（水平）方向をＸ方向、上下（垂直）方向をＹ方向としている。この場合、観察者の瞳１３に対して、横方向から映像や各種情報等を表示する画像光が導光板１２内を導光されて瞳１３に入射される。

この虚像表示装置１は、例えば頭部装着型ディスプレイ（ＨＭＤ）に適用することができる。この頭部装着型ディスプレイにおいて、照明光学系２や空間光変調部３、虚像表示光学系４を瞳１３に対して上方に配置せず、横方向に配置する場合は、瞳１３に近接した上方向に配置する場合と比べ、上下の視野内に光学系が設けられないので、良好な外界の観察が可能となる。

一方、この場合は、導光板１２の内部を導光する距離が比較的長くなるため、以下に述べる工夫が必要となる。上記構成において、導光板１２に入射部１４Ａから入射された画像光は、入射部１４Ａと対向する位置の光学面１５に設けられた第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６に入射する。第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６により回折反射された光は、導光板１２内を全反射を繰り返して他端の第２の反射型体積ホログラムグレーティング１７に向けて進行する。すなわち、上記光は、導光板１２の内部において、図１で示すＸＺ平面のＺ方向には、各光束Ｌａ〜Ｌｃが平行光束のまま光学面１４及び１５の間で全反射を繰り返しながら導光し、他端に設けられた第２の反射型体積ホログラムグレーティング１７に向けてＸ方向に進行する。図１において、光束Ｌａは実線、光束Ｌｂは二点鎖線、光束Ｌｃは破線でそれぞれ示す。

反射型体積ホログラムグレーティングの回折角度分散によって各画角の回折角が異なるとともに、導光板１２が薄く、また導光板１２内を進行する光路が比較的長いために、図１に示すように、平行光束群は、各画角によって、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１７に至るまでの全反射回数が異なっている。

これについて、より詳細に述べる。導光板１２に入射する平行光束群Ｌａ，Ｌｂ及びＬｃのうち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１７側に傾きながら入射する平行光束Ｌｃの反射回数は、それとは逆に第２に反射型体積ホログラムグレーティング１７側へあまり傾かずに入射する平行光束群Ｌａ、Ｌｂの反射回数よりも少なくなっている。ここで、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１７側に傾きながら入射する平行光束群とは、導光板反射面に大きな角度で入射する平行光束群のことである。また、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１７側にあまり傾かないで入射する平行光束群とは、導光板反射面に小さな角度で入射する平行光束群のことである。これは、導光板１２に入射した平行光束群Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃが、それぞれ画角の異なる平行光束群となって入射されるためである。つまり、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６への入射角が異なることから、それぞれ異なる回折角で射出し、各平行光束群の全反射角も異なるため、各画角によって全反射回数が異なることになる。なお、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６は、ホログラム表面の干渉縞ピッチが等間隔である。

第２の反射型体積ホログラムグレーティング１７に入射した各画角の平行光束群は、回折反射により全反射条件から外れ、導光板１２の射出部１４Ｂから射出し観察者の瞳１３に入射する。なお、導光板１２内では、瞳１３に対し上下方向となるＹ方向については反射しない。すなわち、各平行光束群が、導光板１２内で反射する反射方向と、伝播する方向とに沿う面内とほぼ直交するＹ方向については反射しない。

図２に示すように、ＹＺ平面における各画角の異なる入射光ＬＡ、ＬＢ及びＬＣは、導光板１２内においてＺ方向に反射を繰り返すが、Ｙ方向には反射しないで導光板１２の射出部１４Ｂに到達する。

この様子を図３に示す。図３は図２と対応ｘしている。図３に示すように、コリメート光学系１１から射出された光は、ＹＺ平面において収束されて導光板１２の入射部１４Ａから入射され導光板１２内をＸ方向（図３の紙面と直交する方向）に進行する。このＹＺ平面においてコリメート光学系１１から射出される画角の異なる代表的な入射光の進行方向をＡｉ，Ｂｉ及びＣｉで示す。これらの光はＹ方向に収束されて導光板１２の光学面１４及び１５を矢印Ａｉ１、Ａｉ２、・・、Ｃｉ１，Ｃｉ２・・、で示すように反射しながら進行し、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１７により反射回折されて射出部１４Ｂから射出されて観察者の瞳１３に矢印Ａｏ，Ｂｏ及びＣｏで示すように入射される。

この場合、上述したように、これらの光はＹ方向には収束されるので、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６のＹ方向の長さに対し、第２の反射型体積ホログラムグレーティング１７の反射回折面は比較的短い構成としてもよい。

以上説明したＸ方向及びＹ方向の光束の空間光変調部３からの射出角及び開口数の違いについて、図４及び図５を用いて説明する。この虚像表示装置１においては、ホログラムを設けた導光板１２を用いるため、観察者の瞳１３を射出瞳と考えた場合、次のようになる。反射型空間光変調部３からの画像光の射出角及び開口数ＮＡは、反射型空間光変調部３の画像表示エリアの例えば長辺（Ｘ）方向と短辺（Ｙ）方向によって、また、画像表示エリアの中心からの距離によって異なる。

すなわち、図４に示すように、空間光変調部３の長辺方向に対応するＸ方向では、各画素から射出される光は、それぞれ一点鎖線で示すように、その主光線が空間光変調部３の表示面に対し略垂直でテレセントリックな状態に近く、かつ開口数ＮＡが後述する理由により比較的大きく設定される。

一方、図５に示すように、短辺方向に対応するＹ方向では、各画素から射出される光は、空間光変調部３の表示面の中心から離れるほど射出角がテレセントリックな状態から離れていく。すなわち、空間光変調部３の表示面と画像表示光の一点鎖線で示す主光線とのなす角が垂直な状態から離れていき、しかも開口数ＮＡが比較的小さくされる。これら図４及び図５に示す方向における射出角の違いを表１及び表２にそれぞれ示す。各表１及び表２において、光軸からの像高位置において、各画角の中心を通る光の光軸からの角度である主光線角と、その射出光の広がり角である上光線角及び下光線角をそれぞれ示す。

表１、２から、Ｘ方向では±２０度程度の広がり角であるのに対し（表１参照）、Ｙ方向では±５度程度の広がり角である（表２参照）。すなわち、Ｘ方向では開口数ＮＡが大きく、Ｙ方向では開口数ＮＡが小さい。つまりこの場合、空間光変調部３の一の方向と他の方向、すなわちＸ方向とＹ方向とにおいて、射出光の開口数及び主光線の射出角がそれぞれ互いに異なっていることが分かる。

このように、本実施の形態の虚像表示装置１において、開口数ＮＡ及び射出角がＸ方向とＹ方向とに対して異方性を有する構成となる理由について、図６Ａ及びＢ、更に図７を用いて説明する。

前述の図１で説明したように、空間光変調部３の長辺方向（Ｘ方向）と対応する進行方向においては、各画角によって導光板１２内を反射する回数が違い、すなわち光路長が異なる。しかし、図６Ａに示すように、伝播する光束が全て平行光束であるため、いわば折りたたまれるように光束群が進行して各画角の光束の光路長が変わっても、導光板１２より射出する画角は不変のため画像を乱すことはない。この場合、コリメート光学系１１でのＸ方向の口径は比較的小さい。

これに対し、空間光変調部３の短辺方向（Ｙ方向）においては、図６Ｂに示すように、射出瞳から逆光線追跡を行うと明らかなように、ひたすら上下画角が離れていく。前述したように、頭部装着型ディスプレイに適用する場合に、光学系を瞳１３に対して横方向に配置すると、導光板１２の長さＬｇは、例えば人間の平均的な顔の大きさから６０ｍｍ程度必要となる。導光板１２の内部でＹ方向、すなわち上下方向に反射させると像の上下が反転してしまうので、前述したようにＹ方向には反射しないで進行させるとすると、光はコリメート光学系１１に到達するまでに大きく広がってしまい、Ｙ方向の口径が大きくなる。すなわちこの場合、上下の（Ｙ方向の）画角の光線は、空間光変調部３に対してテレセントリック状態から外れた構成となる。

一方、Ｘ方向及びＹ方向の開口数ＮＡｘ及びＮＡｙは、それぞれ以下の通りとなる。
先ず、Ｙ方向の開口数ＮＡｙは、観察者の瞳径をＤとし、コリメート光学系１１の焦点距離をｆとすると、
ＮＡｙ＝Ｄ／（２ｆ）
となる。

これに対し、Ｘ方向の開口数ＮＡｘは、上述のように、光束が導光板１２内で折り返し反射する構成であることから、Ｙ方向のように瞳径から一義的に求められない。すなわち、図７に示すように、逆光線追跡から明らかなように、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６の端部と光学面１５とに跨る位置で折り返して反射する光束が存在する。すなわち、逆光線追跡を行うと、この光束の一部Ｌ１１（すなわち光学面１５で反射される部分）は反射を繰り返して第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６の異なる位置で回折され、コリメート光学系１１に到達する。

一方、残りの光束Ｌ１２は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６の端部で回折されそのままコリメート光学系１１に到達する。つまり、この光束Ｌ１１、Ｌ１２は、同一の画素から射出される同一画角の平行光束群であるが、第１の反射型体積ホログラムグレーティング１６の異なる部分で回折反射して導光板１２内で合波されて伝播する光束が存在することになる。

瞳１３の全領域に光を到達させるためには、このようないわば分岐する光線を含め照明することが望ましい。１画素から射出する光を２つの発散光に分岐して照明することは難しい。したがって、図７に示すように、照明光の見かけのＮＡｘは大きくすることが必要となる。

したがって、この光学系においては、Ｘ方向の見かけの開口数ＮＡｘは比較的大きく、Ｙ方向の開口数ＮＡｙは比較的小さくなることが分かる。

以上、説明したように、本実施の形態の虚像表示装置１においては、導光板１２の形状や、導光板１２内の光束の進行形態などの構成条件に起因して、空間光変調部３からコリメート光学系１１に射出される各画素に対応する主光線の射出角、開口数がＸ方向とＹ方向とで異なる異方性を有する光学特性が要求される。

［本実施の形態の特徴］
本実施の形態の虚像表示装置１は、上記の要求を満たす構成を有する。すなわち、本実施の形態に係る虚像表示装置１は、空間光変調部３に対する照明光学系２において、水平方向と垂直方向に関して非対称構造のライトパイプ７を有して成る。このライトパイプ７は、図１及び図２で説明したように、射出面１０の水平方向の幅ｄ１を空間光変調部３の水平方向の幅ｄ３より大きくし、射出面１０の垂直方向の幅ｄ２を空間光変調部３の垂直方向の幅ｄ４より小さくして構成される。

照明光学系２に、このようなライトパイプ７を備えることにより、水平方向の照明光の角度分布を照明範囲にわたって均一化でき、かつ垂直方向の照明光の角度分布を必要な角度まで拡散させて照明することができる。

次に、ライトパイプ７を射出し空間光変調部３を照明する光線の角度分布が上記のような非対称性を持つ条件を満たして効率よく照明する様子を、図８〜図１５を参照して説明する。

図８に、空間光変調部を照明する本実施の形態の照明光学系、すなわち光源６、ライトパイプ７、拡散板８からなる照明光学系２の水平方向の基本構成を示す。水平方向におけるライトパイプ７は、水平方向に適度な広がり角を持ち、ライトパイプ７の射出面１０の水平方向の幅ｄ１が空間光変調部３の水平方向の幅ｄ３より大きく設定されている。

適度な広がり角を持つライトパイプ７によって、光源６から射出した光束が空間光変調部３に照射されるときの光線分布は、ライトパイプ広がり角とほぼ等しい拡散角度で射出する。これは、ライトパイプ７の壁面で反射された光線が、広がり角を持つ内壁のため、光線自体の広がり角が小さくなるためである。さらに、拡散板８によって拡散されることで角度分布が均等にされる。このとき、拡散板８を射出した後の光線の角度分布は、空間光変調部位置において、ライトパイプ中心近くでは位置に寄らずほぼ左右対称な広がりを持つ角度分布となっている。しかし、ライトパイプ７の端、特にライトパイプ７の射出面１０から外れた位置では、中心から広がる角度の光線しか分布していない。

空間光変調部３の水平方向の幅ｄ３よりもライトパイプ７の水平方向の幅ｄ１を大きくすることで、ライトパイプ７の射出面１０の中心付近から射出される光線を利用することによって、水平画角における像高、すなわち空間光変調部３上の位置によらず均一な光線角度分布を得ることができる。図１０〜図１２に、図８における水平方向の空間光変調部３を３つに分割した領域Ｄａ、Ｄｂ及びＤｃにおける照明光線の角度分布を示す。Ｄａ，Ｄｂ、Ｄｃのどの領域においてもＸ方向の広がり方に差は見えず、均一な照明がなされている。

一方、図９に、照明光学系２の垂直方向（Ｙ方向）の基本構成を示す。垂直方向におけるライトパイプ７は、平行または平行に近い広がり角を持ち、ライトパイプ７の射出面１０の垂直方向の幅ｄ２が空間光変調部３の垂直方向の幅ｄ４より小さく設定されている。

垂直方向に上記の構成を有するライトパイプ７では、内部で反射される光線の広がり角度はあまり変化せず、ライトパイプ７から反射する光線の角度分布は、光源６の角度分布とほぼ等しく、大きな広がり角を持って射出される。広がり角が大きいため、ライトパイプ射出面１０よりも離れた位置では、中心から広がっていく角度の光線だけが分布している。つまり、空間光変調部３の中心からＹの正方向に傾いた光線が分布している。

図１３〜図１５に、図９における垂直方向の空間光変調部３を３つに分割した領域ＤＡ、ＤＢ及びＤＣに照射する光線分布を示す。上記の通り、領域ＤＡでは正方向に光線角度の分布が偏っており、領域ＤＢでは中心付近に光線角度が分布している。そして、領域ＤＣでは負方向に光線角度の分布が偏っている。このように、空間光変調部３の垂直方向の幅ｄ４よりもライトパイプ７の射出面１０の垂直方向の幅ｄ２を小さくすることで、像高すなわち空間光変調部３上の位置に比例して、光線角度が中心から離れる方向にシフトするような分布を得ることができる。

上述した本実施の形態に係る照明光学装置２、及びこの照明装置２を照明光学系として用いた虚像表示装置１によれば、水平方向と垂直方向で異方性をもつ条件に合わせた非対称な照明光を生成し、周辺輝度を落とさずに効率よく空間光変調部３を照明することができる。また、レンズ等を使用しないので、照明光学装置２、あるいは虚像表示装置１のコストダウンを図ることができる。

ライトパイプ７は、例えば、プラスティック部材で形成した導光路で構成することができる。プラスティック部材で形成するときは、ライトパイプ７簡単に形成することができる。また、ライトパイプ７は、例えば４枚のガラス板を貼り合わせて４面の反射面を設けた中空構造の導光路で構成しもよい。中空構造の方が特性が良い。すなわち、中空構造ではない所謂プリズム状のライトパイプでは、部材の屈折率分だけ、内部の反射角が小さくなるため、光源（例えばＬＥＤ）６に対向する入射面９から拡散板８に対向する出射面１０までの距離が長く必要になる。これに対し、中空構造のライトパイプの方が光学系を小さく構成することが出来る。

上例では、本発明に係る照明光学装置２を、透過型空間光変調部３を有する虚像表示装置１の照明光学系に適用したが、その他の画像表示装置の空間光変調部を照明する照明光学系にも適用することができる。さらに、本発明の照明光学装置に用いるライトパイプ７は、図１６に示した反射型空間光変調部を有する虚像表示装置の照明光学系にも適用することもできる。

本発明の虚像表示装置を適用する頭部装着型ディスプレイは、メガネ型ディスプレイを含むものである。

本発明に係る虚像表示装置の一実施の形態の構成を示す概略平面図である。 本発明に係る虚像表示装置の一実施の形態の構成を示す概略側面図である。 動作説明に供する虚像表示装置の概略側面構成図である。 空間光変調部から射出した光のＸ方向の射出角及び開口数の説明図である。 空間光変調部から射出した光のＹ方向の射出角及び開口数の説明図である。 Ａは射出瞳からＸ方向の逆光線追跡を行った説明図である。Ｂは射出瞳からＹ方向の逆光線追跡を行った説明図である。 虚像表示装置のＸ方向の開口数の説明図である。 本実施の形態に係る照明光学装置のライトパイプ水平方向の概念図である。 本実施の形態に係る照明光学装置のライトパイプ垂直方向の概念図である。 図８の領域Ｄａにおける照明光線の角度分布図である。 図８の領域Ｄｂにおける照明光線の角度分布図である。 図８の領域Ｄｃにおける照明光線の角度分布図である。 図９の領域ＤＡにおける照明光線の角度分布図である。 図９の領域ＤＢにおける照明光線の角度分布図である。 図９の領域ＤＣにおける照明光線の角度分布図である。 Ａは従来の虚像表示装置の例を示す概略平面図である。Ｂは従来の虚像表示装置の例を示す概略側面図である。

符号の説明

１・・虚像表示装置、２・・照明光学装置（照明光学系）、３・・空間光変調部、４・・虚像表示光学系、６・・光源、７・・ライトパイプ、８・・拡散板、９・・入射面、１０・・射出面、１１・・コリメート光学系、１２・・導光板、１３・・瞳、１４，１５・・光学面、１４Ａ・・入射部、１４Ｂ・・射出部、１６・・第１の反射型体積ホログラムグレーティング、１７・・第２の反射型体積ホログラムグレーティング

Claims (7)

1. 光源と、
   前記光源からの照明光を導くライトパイプと、
   前記ライトパイプの射出面側に配置された拡散板と
   を有し、
   前記ライトパイプの射出面の水平方向の幅が被照明体の幅より大きく、
   前記ライトパイプの射出面の垂直方向の幅が前記被照明体の幅より小さく設定されている
   照明光学装置。
2. 前記拡散板と前記被照明体との間に所要の空間を有する
   請求項１記載の照明光学装置。
3. 前記被照明体が空間光変調部である
   請求項２記載の照明光学装置。
4. 光源と、
   前記光源からの光を導くライトパイプと、
   前記ライトパイプの射出面側に配置された拡散板と、
   前記拡散板からの照明光が照射され、画像に応じて変調された画像光を得る空間光変調部と、
   前記空間光変調部からの画像光を平行光束群に変換し投射するコリメート光学系と、
   前記平行光束群が入射され、内部で全反射を繰り返しながら伝播する導光板と
   を有し、
   前記ライトパイプの射出面の水平方向の幅が前記空間光変調部の幅より大きく、
   前記ライトパイプの射出面の垂直方向の幅が前記空間光変調部の幅より小さく設定されている
   虚像表示装置。
5. 前記拡散板と前記空間光変調部との間に所要の空間を有する
   請求項４記載の虚像表示装置。
6. 前記導光板は、
   前記コリメート光学系と対向する一端側に配置された第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、
   観察者の瞳と対向する他端側に配置された第２の反射型体積ホログラムグレーティングとを有する
   請求項５記載の虚像表示装置。
7. 前記空間光変調部が、透過型液晶パネルである
   請求項４記載の虚像表示装置。