JP4776285B2 - 照明光学装置及びこれを用いた虚像表示装置 - Google Patents

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用いて好適な照明光学装置に関し、特に、ビデオカメラのビューファインダ、頭部装着型ディスプレイ等の虚像表示装置に使用して好適な照明光学装置及びこれを用いた虚像表示装置に関する。

投射型表示装置等の画像表示装置において、画像を変調する空間光変調部に対する照明光学装置として、先細り型ライトパイプを使用する構成が提案されている（例えば特許文献１〜３参照。）
図１５を参照して、上記特許文献１に記載された従来の先細り型ライトパイプを使用した照明光学装置の例を説明する。図１５の概略構成図に示すように、この照明光学装置は、光源１５０６と反射鏡１５０８と先細り型ライトパイプ１５０２を有し、光源１５０６から出射された光１５０１を前方に反射するリフレクタ１５１２、光１５０１を反射する例えば凹面状の反射鏡１５０８、先細り型ライトパイプ１５０２、１５１６により構成される。
このような構成において、光源１５０６から出射された光１５０１は、反射鏡１５０８によって反射され、光源１５０６の像が反射鏡１５０８によって先細り型ライトパイプ１５０２の入力端１５０７近傍に結像されるよう構成されている。先細り型ライトパイプ１５０２に入射した光束は、レンズ状に形成された射出面１５０３から開口数（Numerical Aperture：ＮＡ）を縮小されて射出し、続いて配置される他のライトパイプ１５１６に入射する。
この照明光学装置によって、光源から射出する光束を所望の発散角と面積に変換し、効率性と照度の均一性を高めている。
先細り型ライトパイプを用いた照明光学装置の従来例としては、この他に上記特許文献２及び３などに開示があるが、いずいれも先細り型ライトパイプと空間光変調部との間に光ファイバーや偏光変換器などを配置して、更に均一性や照明効率向上を図る構成としたものである。

これらの従来例による照明光学装置は、主に投射型画像表示装置に用いられるものであり、照明光学装置によって照明された空間光変調部の像をスクリーン上に再結像するように構成されている。または、ライトパイプ射出後、直接空間光変調部を照明するのではなく、再度光ファイバーや別のライトパイプに入射するなどして更に均一性を高めるために伝播される構成として利用されている。

米国特許出願公開第2005/0047723号明細書 米国特許第6,739,726号明細書 米国特許出願公開第2003/0021530号明細書

前述した従来の照明光学装置は、上述のように投射型画像装置に用いられる場合には好適であるが、虚像表示装置用の照明光学装置としては以下のような欠点を有する。
（１） 特に、頭部装着型ディスプレイ（Head Mounted Display：ＨＭＤ）のような小型軽量化が求められる画像表示装置に適用する場合、先細り型ライトパイプの後、均一性を改善するため更に第２のライトパイプや光ファイバーを用いると、照明装置全体が大きくなってしまい好ましくない。
（２） 先細り型ライトパイプの射出面より射出した照明光は、このままでは射出ＮＡ内で比較的大きな輝度の不均一性を有する。この不均一性は、空間光変調部の任意の画素から射出する光をスクリーン上に再結像する投射型画像表示装置の場合には、問題にならないが、虚像表示装置の場合には、観察者の瞳位置が動いた場合の輝度変化の原因となり好ましくない。

上記（２）の理由について、図１６及び図１７Ａ〜Ｃを参照して説明する。先ず、図１６に示すように、光源１０から射出される光の光軸上に、先細り型のライトパイプ２０、空間光変調部６０及び投射レンズ１７０を配置した投射型表示装置の光学系について説明する。この場合、光源１０から出射された光は、先細り型のライトパイプ２０によって開口数ＮＡを調整して射出され、透過型液晶パネル等の空間光変調部６０に入射され、画像情報等に対応して変調される。空間光変調部６０から射出された光は、投射レンズ１７０によって、スクリーン１８０に投影される。この場合、空間光変調部６０の一点から射出する画像表示光の放射角内の光束の（または光エネルギー）のばらつきは、スクリーン１８０で再結像されるため、観察者には認識されず、問題とはならない。

これに対して、このようにライトパイプを虚像結合光学系に適用する場合においては、以下の問題が生じる。すなわちこの場合、図１７Ａ〜Ｃに示すように、光源１０、ライトパイプ２０、空間光変調部６０及び接眼レンズ２７０を光軸上に配置して、空間光変調部６０により変調された画像表示光を、接眼レンズ２７０を介して瞳８０で観察する光学系を考える。
このとき、空間光変調部６０の一点から射出する画像表示光の放射角内の光束（または光エネルギー）のばらつきは、図１７Ａに示すように、瞳８０が正規の観察瞳位置から、図１７Ｂにおいて矢印ａで示すように移動したり、図１７Ｃにおいて矢印ｂで示すように回転したりすると、明るさの変動として認識されてしまうこととなる。

このような問題に対し、例えば先細り型ライトパイプの全長を長くすればこの不均一性は改善される傾向となるが、この場合は装置が大型化してしまい、上述の頭部装着型ディスプレイなどに用いる場合は、望ましくない。

以上の問題に鑑みて、本発明は、空間光変調部により光を変調する照明光学装置において、装置の大型化を抑制しつつ照明の均一性と効率性を高く保つことが可能な照明光学装置及びこれを用いた虚像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明による照明光学装置は、光源と、ライトパイプと、光学レンズと、拡散板と、空間光変調部とを有する。光源より射出した光束は、ライトパイプの入射面よりその内部に入射し、少なくとも光束の一部がライトパイプの側面にて内部全反射した後、入射面よりも面積の大きい射出面より射出し、続いて光学レンズを通過して拡散板にて拡散された後、空間光変調部を照明する。そして、光学レンズのうち少なくとも１つは、２つのシリンドリカルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる。
また、光学レンズのうち少なくとも１つは、１方向にのみ光学パワーを有する２つのフレネルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なるものであってもよい。

また、本発明は、照明光学装置と、空間光変調部により変調された表示画像を観察者の瞳に導く虚像結像光学系とを有する虚像表示装置であって、照明光学装置は、光源と、ライトパイプと、光学レンズと、拡散板と、空間光変調部とを有する。光源より射出した光束は、ライトパイプの入射面よりその内部に入射し、少なくとも光束の一部がその側面にて内部全反射した後、入射面よりも面積の大きい射出面より射出し、続いて光学レンズを通過して拡散板にて拡散された後、空間光変調部を照明する。そして、光学レンズのうち少なくとも１つは、２つのシリンドリカルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる。
また、光学レンズのうち少なくとも１つは、１方向にのみ光学パワーを有する２つのフレネルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なるものであってもよい。

上述したように、本発明の照明光学装置においては、光源とライトパイプと拡散板を有するものであり、光源から射出した大きな開口数ＮＡを有する照明光を、まず先細り型等のライトパイプにてより小さな開口数ＮＡをもつ照明光に変換し、拡散板において、拡散角のアナモルフィック化を含む再調整と放射角度内の輝度むらの低減を行うことができる。
また、ライトパイプの射出面や、或いはこのライトパイプと拡散板との間に光学レンズを配置する場合は光学レンズによって、光源からの照明光の主光線角度をコントロールすることができ、より適切に拡散板により拡散角の再調整及び輝度むらの低減化を図ることができる。

すなわち、本発明によれば、空間光変調部等の被照明体上の位置に応じて主光線角度と開口数ＮＡを制御することが可能となり、小型軽量ながら高効率で照明輝度の均一性の高い照明光学装置を実現できる。

以上説明したように、本発明の照明光学装置によれば、拡散角を制御することにより、装置の大型化を抑制しつつ、高効率で均一な照明輝度をもって照明することが可能となる。
また、本発明の虚像表示装置によれば、装置全体の大型化を抑制し、かつ照明の均一性と高効率の照明が可能な照明光学装置を用いた虚像表示装置を提供することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
（１）第１の実施形態例
図１の概略構成図を参照して本発明による照明光学装置を使用した虚像表示装置の第１の実施形態例を説明する。この例の照明光学装置１００は、ＬＥＤ（発光ダイオード）等より成る光源１０、例えば先細り型のライトパイプ２０、拡散板４０、空間光変調部６０、コリメート光学系７０、例えばファインダーレンズにより構成される。
光源１０から射出した照明光は、この場合先細り型のライトパイプ２０の面積が小さい方の入射面２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面２２より射出する。本実施形態例においては、この射出面２２はシリンドリカル面となっている。

この射出面２２より射出した照明光は、続いて配置される拡散板４０にて拡散された後、被照射体、この場合例えば液晶パネル等の透過型の空間光変調部６０を照明する。
そして空間光変調部６０を透過した照明光Ｌは、次にコリメート光学系７０を介して略平行光になされて観察者の瞳８０に入射する。

本実施形態例においては、ＬＥＤ等の光源１０とライトパイプ２０とを光学的に密着した構成としている。これにより、光利用効率を上げることができる。

また、図１の例においては、ライトパイプ２０の射出面２２をシリンドリカル面とした例であり、すなわち、図１の紙面に沿う矢印Ｘで示す方向についてはシリンドリカル面の曲面であり、これと直交する（図１の紙面と直交する）矢印Ｙで示す方向は平面状とする。
このような曲面形状とすることにより、図２Ａに示すように、シリンドリカル面の曲面と直交する矢印Ｙで示す方向に関しては、照明光線ＬＹ１、ＬＹ２、・・・、ＬＹｎの発散角の中心光線（破線で示す）と、空間光変調部６０の表示面の法線とのなす角は、空間光変調部６０の周辺にいくほど大きくなって、テレセントリックからはずれていく。
一方、図２Ｂに示すように、シリンドリカル面の曲面に沿う矢印Ｘで示す方向に関しては、照明光線ＬＸ１、ＬＸ２、・・・、ＬＸｎの発散角の中心光線（破線で示す）と空間光変調部６０の表示面の法線とのなす角は小さく、すなわち、テレセントリックに近くなる。
つまりこの場合、ライトパイプ２０の射出面の曲面の形状によって、Ｘ方向とＹ方向とにおいて、射出面の各部から射出される光の主光線角を制御していることとなる。

更に、図１に示す実施形態例において、拡散板４０として、このシリンドリカル面の曲面に沿う方向とこれに直交する方向で拡散度を異ならせる構成としてもよい。
この場合、図３Ａに示すように、矢印Ｙで示すシリンドリカル面の曲面と直交する方向では、拡散板４０を透過後の照明光線ＬＹ１´、ＬＹ２´、・・・、ＬＹｎ´は拡散度が少なく、図３Ｂに示すように、シリンドリカル面の曲面に沿う矢印Ｘで示す方向では、拡散板４０を透過後の照明光線ＬＸ１´、ＬＸ２´、・・・、ＬＸｎ´は拡散度が大きくなる。すなわち、拡散板４０の拡散角を調整することによって、所望の開口数ＮＡをもって照明することができることとなる。
このようにして、本発明の照明光学装置において、空間光変調部６０の表示面内における一の方向と他の方向、例えば縦方向と横方向に対応する方向に対し、射出光の主光線角及び開口数ＮＡを、互いに異なる条件にて照明する構成とすることができる。

拡散板４０がある場合とない場合とによる、照度の均一性の違いを観察した一例を図４及び図５に示す。図４は、拡散板を設けない場合、図５は上述したように空間光変調部の表示面内における例えば縦方向と横方向とにおいて異なる条件で拡散する構成とした拡散板を設ける場合であり、それぞれ空間光変調部からの画像表示光の放射輝度分布を示す。
図４から、拡散板がない場合には、必要な開口数ＮＡ、この場合、縦方向が±１０度、横方向が±５度の範囲において、均一性が不十分であり、前述のように虚像を観察する場合には、瞳移動や回転にともなって明るさが変化してしまうことがわかる。
これに対し、図５から明らかなように、拡散板を配置する本発明構成によれば、必要な開口数ＮＡ内で均一な明るさが得られることがわかる。
したがって、上述の図１に示す照明光学装置１００において、観察者の瞳８０が横方向にずれるとか、又は回転した場合でも、輝度が均一であるため明るさの変動として認識されることがなく、輝度むらのない良好な画像の表示を行うことができる。

（２）第２の実施形態例
次に、図６を参照して本発明による照明光学装置の第２の実施形態例を説明する。図６において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この例においては、先細り型のライトパイプ２０と拡散板４０との間に光学レンズ３０を配置し、その他の構成は、図１において説明した例と同様の構成とした例を示す。

この場合、光源１０から射出した照明光は、この光源１０に光学的に密着された先細り型のライトパイプ２０の面積が小さい方の入射面２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面２２より射出する。
射出面２２より射出した照明光は、続いて配置される光学レンズ３０に入射する。この光学レンズ３０は少なくとも１つの光学面が、その光学的パワーが、空間光変調部６０の表示面内における一の方向と他の方向、例えば縦方向と横方向とで互いに異なる光学レンズとする。すなわち、この光学レンズ３０は、例えば光軸に対し回転対称ではなく、光軸に直交する面内の互いに異なる方向、例えば互いに直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向とする）を対称軸としてもつトーリック面となっている構成とする。この場合、Ｘ方向、Ｙ方向で光学パワーが異なり、拡散板４０への照明光の入射角度もこれら２方向で異なる。

拡散板４０にて拡散された照明光は、透過型の空間光変調部６０を照明する。そして、この空間光変調部６０を透過した照明光Ｌは、次にファインダー光学系等のコリメート光学系７０を介して、略平行光になされて観察者の瞳８０に入射する。

この実施形態例においては、上述したように光学レンズ３０がトーリック面であり、より曲率の大きい面の曲面に沿う方向（Ｘ方向）に関しては照明光線の発散角の中心光線と空間光変調部６０の法線のなす角は小さく、すなわち、テレセントリックに近くなり、これに直交する方向（Ｙ方向）に関しては、照明光線の発散角の中心光線と空間光変調部６０の法線のなす角は、空間光変調部６０の周辺にいくほど大きくなるように、すなわち、テレセントリックからはずれていく構成となる。
そしてこの場合においても、拡散板４０は、この光学レンズ３０のより曲率の大きい面の曲面に沿う方向とこれに直交する方向で拡散度が異なる構成としてもよい。ここでは、光学レンズ３０の曲率の大きい曲面に沿う方向（Ｘ方向）の拡散度が、これに直交する方向（Ｙ方向）の拡散度よりも大きくなるとする。このような構成とすることにより、空間光変調部６０を例えばその縦方向、横方向で互いに異なる条件にて照明することができる。
したがって、この場合においても、空間光変調部６０の表示する領域内を均一に照明することができて、観察者の瞳８０のずれや回転によっても明るさの変動が観察されない、良好な画像の表示を行うことができる。

（３）第３の実施形態例
次に、図７を参照して本発明による照明光学装置の第３の実施形態例を説明する。図７において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この例においては、ライトパイプ２０と拡散板４０との間に、光学レンズとして、１軸型等のフレネルレンズ３１を配置した例を示す。フレネルレンズ３１を用いる場合、装置の薄型化を図ることができる。

この場合、ＬＥＤ等の光源１０から射出した照明光は、この光源１０に光学密着された先細り型のライトパイプ２０の面積が小さい方の入射面２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面２２より射出する。この実施形態例においては、この射出面２２はシリンドリカル面となっている。

射出面２２より射出した照明光は、続いて配置される１軸フレネルレンズ３１に入射する。この１軸フレネルレンズ３１は、シリンドリカル面形状をした射出面２２が光学パワーをもつ方向と直交する方向に光学パワーをもつように配置されている。このため直交する２方向で拡散板４０へ入射する照明光の角度も異なる。

拡散板４０にて拡散された照明光は、透過型の空間光変調部６０を照明する。そして、空間光変調部６０を透過した照明光Ｌは、次にコリメート光学系７０を介して、略平行光になされて観察者の瞳８０に入射する。

ここで、上述したように、ライトパイプ２０の射出面２２がシリンダー面であり、続いて配置される１軸フレネルレンズ３１より光学パワーは小さくなされている。そして、１軸フレネルレンズ３１が光学パワーをもつ方向（Ｘ方向）に関しては照明光線の発散角の中心光線と空間光変調部６０の法線のなす角は小さく、すなわち、テレセントリックに近く、これに直交する方向（Ｙ方向）に関しては、照明光線の発散角の中心光線と空間光変調部６０の法線のなす角は、空間光変調部６０の周辺にいくほど大きくなり、すなわち、テレセントリックからはずれていく構成となる。

更に、この形態例にて用いられている拡散板４０は、このフレネルレンズ３１の、より光学パワーの大きい面の曲面に沿う方向（Ｘ方向）とこれに直交する方向（Ｙ方向）で拡散度が異なる構成としてもよい。例えば、光学パワーが大きい方向の拡散度が、光学パワーが小さい方向の拡散度よりも大きくなる構成とする。
このようにして、本実施形態例の照明光学装置は、空間光変調部６０に対し、その表示面内の２つの方向、例えば縦方向、横方向で互いに異なる条件にて照明する構成とすることができる。
したがって、この場合においても、空間光変調部６０の表示する領域内を均一に照明することができて、観察者の瞳８０のずれや回転によっても明るさの変動が観察されない、良好な画像の表示を行うことができる。

（４）第４の実施形態例
次に、図８を参照して本発明による照明光学装置の他の実施形態例について説明する。図８において、図７と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この例においては、前述の第３の実施形態例において説明した照明光学装置において、ライトパイプとして、射出面２２のみでなく側面２３も曲面とする例を示す。すなわちこの場合、ライトパイプ２０の側面２３は、ライトパイプ２０の光軸に沿う断面において外側に凸の曲面状とされる。
このように、ライトパイプ２０の側面２３を曲面とする場合は、光源１０から比較的大きな放射角で射出する光線が、このライトパイプ２０の内部で全反射になる確率を高めることとなり、光の利用効率を高めることができる。
またこの場合、入射面から射出面まで伝播する光の全反射回数が増加することによって、均一性を高めることも可能である。或いは、同等の均一性でよい場合には、ライトパイプ２０の全長を短くすることができ、装置の小型化を図ることができるという利点を有する。

またこの場合においても、上述の第３の実施形態例と同様に、例えば１軸型のフレネルレンズ３１を用いる場合は、その光学パワーをもつ方向と、ライトパイプ２０の射出面２２の光学パワーをもつ方向との相対的な方向の設定、またこのライトパイプ２０の射出面２２の形状と光学パワーをもつ方向、更に拡散板４０の拡散度の設定などを選定することによって、同様の効果が得られ、すなわち空間光変調部６０に対し、その表示面内の２つの方向、例えば縦方向、横方向で互いに異なる条件にて照明する構成とすることができる。
したがって、この場合においても、空間光変調部６０の表示する領域内を均一に照明することができて、観察者の瞳８０のずれや回転によっても明るさの変動が観察されない、良好な画像の表示を行うことができる。

以上説明した各実施形態例においては、照明光学装置の被照射体として空間光変調部を用い、その表示面内における例えば縦、横の２方向に異なる条件にて照明する構成とするものであり、例えば表示面内の長辺方向と短辺方向において、所望の入射角及び開口数をもって空間光変調部を照明することが可能である。
このため、以下の虚像表示装置の実施形態例において詳細に説明するように、空間光変調部を含む光学系から導光板を介して画像表示光を瞳に導くにあたり、上述したように縦、横の２方向において異なる条件で照明することによって、空間光変調部から導光板に向けて、所望の開口数及び射出角をもって画像表示光が射出され、これにより効率的に瞳に良好な画像の表示を行うことが可能となる。

以下、このような本発明構成の照明光学装置を用いて虚像表示装置を構成した実施形態例について説明する。
（５）第５の実施形態例
図９Ａ及びＢを参照して本発明による照明光学装置を使用した虚像表示装置の一実施形態例を説明する。図９Ａは、本発明による虚像表示装置２００を観察者の瞳８０が観察した状態の概略上面構成図、図９Ｂは概略側面構成図を示す。図９Ａ及びＢにおいては共通するＸＹＺ座標系を示し、観察者の瞳８０に対して左右（水平）方向をＸ方向、上下（縦）方向をＹ方向、奥行き方向をＺ方向として示す。

この虚像表示装置２００は、図９Ａ及びＢに示すように、ＬＥＤ等の光源１０、例えば先細り型のライトパイプ２０、第１及び第２の１軸フレネルレンズ３１及び３２より成る光学レンズ、拡散板４０、ビームスプリッター５０、反射型空間光変調部６１、ファインダー光学系等のコリメート光学系７０、後述するホログラム構造を有する導光板９０により構成される。

ＬＥＤ等より成る光源１０から射出した照明光は、図９Ｂに示すように、この光源１０に光学的に密着された例えば先細り型のライトパイプ２０の面積が小さい方の入射面２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面２２より射出する。

射出面２２より射出した照明光は、続いて配置される光学レンズ３０、この場合第１及び第２の１軸フレネルレンズ３１、３２に入射する。これら１軸フレネルレンズ３１、３２は、それぞれ光学パワーをもつ方向が直交して配置されており、更に互いに光学パワー（すなわち、焦点距離）が異なっている。
フレネルレンズは、アナモルフィックレンズである方が光利用効率を高くできる場合がある。その場合は、それぞれピッチの異なる１方向のフレネルレンズ（すなわち、機能上はシリンドリカルレンズ）２枚を直交して配置することが望ましい。

そして、これら１軸フレネルレンズ３１及び３２を通過した照明光は、続いて配置される拡散板４０に入射する。この拡散板４０は、１軸フレネルレンズ３１及び３２より成る光学レンズ３０が光学パワーをもつ方向に沿って拡散性が異なっており、本実施形態例の場合、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４０から射出される光は、両フレネルレンズ３１及び３２の光学特性及び拡散板３０の拡散性によって、射出角及び開口数が調整されて偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）５０に入射される。

このようにして拡散板４０から射出された照明光は、偏光ビームスプリッター５０の入射面５１より入射し、偏光分離膜５２にて例えばＳ偏光成分のみが反射され、射出面５３より射出する。
この照明光は、反射型液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）等の反射型空間光変調部６１を照明する。そして、反射型空間光変調部６１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表示光は、上述の射出角は反射によって反転され、開口数は保持された状態で射出され、再び偏光ビームスプリッター５０に入射し、例えばそのＰ偏光成分のみが偏光分離膜５２によって透過され、射出面５４から射出する。

偏光ビームスプリッター５０の射出面５４から射出した画像表示光は、図９Ａに示すＸＺ平面においては、コリメート光学系７０にて画角（すなわち反射型空間光変調部６１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平面においては、図９Ｂ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９０に入射する。図９Ａ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、また図９Ｂ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。

この導光板９０は、図９Ａに示すように、薄い平板型構成とされ、瞳８０に対し奥行き方向に相対向する光学面９１及び９２のうち、光学面９１の一端が、コリメート光学系７０から射出される光が入射する入射部９１Ａとされ、光学面９１の他端は、瞳８０に向かって射出される光が射出する射出部９１Ｂとされる。
上述したように、この例では左右（水平）方向をＸ方向、上下（縦）方向をＹ方向とするものであり、すなわちこの場合、観察者の瞳８０に対して、横方向から映像や各種情報等を表示する画像表示光が導光されて瞳８０に入射される構成とするものである。
なお、この虚像表示装置を頭部装着型ディスプレイ（ＨＭＤ）に適用する場合、照明光学装置や空間光変調部、虚像表示光学系を瞳に対して上方に配置せず、このように横方向に配置する場合は、瞳８０に近接した例えば上方向に配置する場合と比べると、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９０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。

上述の構成において、導光板９０に入射部９１Ａから入射された画像表示光は、入射部９１Ａと対向する位置に光学面９２に設けられる第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３に入射する。この例においては、この第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３は、位置に係らず均等なホログラム表面の干渉縞ピッチを有する構成とする。

そして第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３により回折反射された光は、導光板９０内部において、図９Ａ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９１及び９２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９４に向けてＸ方向に進行する。図９Ａにおいては、光束Ｌａは破線、Ｌｂは実線、Ｌｃは二点鎖線でそれぞれ示す。
本実施形態例においては、導光板９０が薄く、また上述したように導光板９０を進行する光路が比較的長いため、図９Ａに示すように、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９４に至るまでの全反射回数は異なっている。

これについてより詳細に述べれば、導光板９０に入射する平行光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９４の方に傾きながら入射する平行光Ｌａの反射回数は、それと逆方向の角度で導光板９０に入射する平行光Ｌｃの反射回数よりも少なくなっている。すなわち、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３のホログラム表面の干渉縞ピッチが等間隔のため、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３において回折反射される射出角が、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４の方に傾きながら入射する平行光の方が、それと逆方向の角度で入射する平行光の射出角よりも大きくなる。
第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４に入射した各画角の平行光は、回折反射により全反射条件からはずれ、導光板９０から射出し観察者の瞳８０に入射する。

なお、導光板９０内では、瞳８０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９０内で反射する反射方向と、伝播する方向とに沿う平面とほぼ直交するＹ方向については反射しない。
図９Ｂに示すように、ＹＺ平面において各画角の異なる入射光ＬＡ、ＬＢ及びＬＣは導光板９０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射出部９１Ｂに到達する。
この様子を図１０の概略側面構成図に示す。図１０において、図９Ｂと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図１０に示すように、コリメート光学系７０から射出された光は、ＹＺ平面においては収束されて入射部９１Ａから入射されて導光板９０内をＸ方向（図１０の紙面と垂直な方向）に進行する。このＹＺ平面においてコリメート光学系７０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矢印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９０の光学面９１及び９２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９４により反射回折されて射出部９１Ｂから射出されて観察者の瞳８０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９３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９４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からの射出角及び開口数の違いについて、図１１及び１２を用いて説明する。
この虚像表示装置の実施形態例においては、ホログラムを設けた導光板９０を用いているため、観察者の瞳８０を射出瞳と考えた場合、反射型空間光変調部６１からの映像光の射出角及び開口数ＮＡは、反射型等の空間光変調部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っている。
すなわち、図１１に示すように、空間光変調部６０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６０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が後述する利用により比較的大きく設定される。
一方、図１２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６０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、すなわち空間光変調部６０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は比較的小さくされる。

これら図１１及び図１２に示す方向における射出角の違いを下記の表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から、Ｘ方向では±２０度程度の広がり角であるのに対し、Ｙ方向では±５°程度の広がり角である。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、空間光変調部の一の方向と他の方向、すなわちＸ方向及びＹ方向において、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わかる。

このように、上述の虚像表示装置において、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１３Ａ及びＢ、更に図１４を用いて説明する。
図９Ａにおいて説明したように、空間光変調部の長辺方向（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９０内を反射する回数が違い、すなわち光路長が異なるが、図１３Ａ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７０でのＸ方向の口径は比較的小さくできる。

これに対し、空間光変調部の短辺方向（Ｙ方向）においては、図１３Ｂ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。上述したように、頭部装着型ディスプレイに適用する場合に、光学系を瞳に対して横方向に配置すると、導光板の長さ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９０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７０に到達するまでに大きく広がってしまい、Ｙ方向の口径は大きくなる。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６０に対してテレセントリック状態からはずれた構成となる。

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７０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、上述したように、光束が導光板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１４に示す構成図において逆光線追跡を行うと明らかなように、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３の縁部と光学面９２とに跨る位置で折り返して反射する光束が存在する。逆光線追跡を行うと、この光束の一部（すなわち光学面９２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９３の異なる位置で回折され、コリメート光学系７０に到達する。一方、残りの光束は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３の端部で回折されそのままコリメート光学系７０に到達する。つまり、この光束は、同一の画素から射出される同一画角の平行光束であるが、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３の異なる部分で回折反射して導光板９０内で合波されて伝播する光束が存在することとなる。
瞳８０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束を含め照明することが望ましいが、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１４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。図１４において、図９Ａと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
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わかる。

以上説明したように、上述の実施形態例の虚像表示装置においては、導光板の形状や、導光板内の光束の進行形態などの構成条件に起因して、空間光変調部からコリメート光学系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。
これに対して、本発明においては、上述したように、空間光変調部に対する照明光学系において拡散板４０を設け、光学レンズ３０と拡散板４０、またライトパイプ２０と拡散板４０の光学的特性を、前述の図１〜図３、また図６〜図８において説明したように、それぞれ例えばＸ方向においてはテレセントリックに近く、また拡散角を比較的大きく、Ｙ方向においてはテレセントリックからはずれ、拡散角を比較的小さくするなどの光学的異方性をもって構成することによって、上述の虚像表示装置において適切に空間光変調部を照明する照明光学装置を提供することができる。
これにより、空間光変調部により変調された画像を表示する射出光は、所望の開口数、射出角をもって導光板を伝播して、無駄なく、また画像の乱れを生じることなく瞳に到達する。したがって、本発明の照明光学装置及び虚像表示装置によれば、前述したように均一な輝度をもって効率よく光を利用することによって瞳８０の位置ずれや回転によっても明るさの変動を招くことがなく、かつ良好な画像を表示することができる。

なお、本発明は、上述した各実施形態例に限定されるものではなく、光源や空間光変調部の種類や配置、ライトパイプや光学レンズ及び拡散板の光学的特性等において、本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能であり、特に、上述の実施形態例において説明した頭部装着型ディスプレイ以外の各種の虚像表示装置に適用可能であることはいうまでもない。

本発明による照明光学装置の一実施形態例の概略構成図である。 Ａは本発明による照明光学装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。Ｂは本発明による照明光学装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。 Ａは本発明による照明光学装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。Ｂは本発明による照明光学装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。 比較例による照明光学装置の一例における輝度分布を示す観察図である。 本発明による照明光学装置の一例における輝度分布を示す観察図である。 本発明による照明光学装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。 本発明による照明光学装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。 本発明による照明光学装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。 Ａは本発明による虚像表示装置の一実施形態例の概略上面構成図である。Ｂは本発明による虚像表示装置の一実施形態例の概略側面構成図である。 本発明による虚像表示装置の一実施形態例の要部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。 本発明による虚像表示装置の一実施形態例のＸ方向の開口数の説明図である。 従来のライトパイプを用いた画像投影装置の一例の概略構成図である。 従来のライトパイプを用いた画像投影装置の一例の概略構成図である。 Ａはライトパイプを用いた虚像表示装置の一例の概略構成図である。Ｂはライトパイプを用いた虚像表示装置の一例の概略構成図である。Ｃはライトパイプを用いた虚像表示装置の一例の概略構成図である。

符号の説明

１０．光源、２０．ライトパイプ、２１．入射面、２２．射出面、３０．光学レンズ、３１．フレネルレンズ、４０．拡散板、５０．偏光ビームスプリッター、６０．空間光変調部、７０．コリメート光学系、８０．瞳、９０．導光板、９１．光学面、９１Ａ．入射部、９１Ｂ．射出部、９２．光学面、９３．第１の反射型体積ホログラムグレーティング、９４．第２の反射型体積ホログラムグレーティング、１００．照明光学装置、２００．虚像表示装置

Claims (14)

1. 光源と、
   前記光源より射出した光束が入射する入射面と、少なくとも入射した前記光束の一部を内部全反射させる側面と、前記入射面よりも面積の大きい射出面とを有するライトパイプと、
   前記ライトパイプから射出された光束が入射する少なくとも１つの光学レンズと、
   前記光学レンズから出射した光束を拡散する拡散板と、
   前記拡散板にて拡散された光で照明される空間光変調部と、を備え、
   前記光学レンズのうち少なくとも１つは、２つのシリンドリカルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる照明光学装置。
2. 光源と、
   前記光源より射出した光束が入射する入射面と、少なくとも入射した前記光束の一部を内部全反射させる側面と、前記入射面よりも面積の大きい射出面とを有するライトパイプと、
   前記ライトパイプから射出された光束が入射する少なくとも１つの光学レンズと、
   前記光学レンズから出射した光束を拡散する拡散板と、
   前記拡散板にて拡散された光で照明される空間光変調部と、を備え、
   前記光学レンズのうち少なくとも１つは、１方向にのみ光学パワーを有する２つのフレネルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる照明光学装置。
3. 前記ライトパイプの入射面、射出面あるいは側面の少なくとも１つの面は、曲面とされる
   請求項１又は２記載の照明光学装置。
4. 前記ライトパイプの入射面あるいは射出面の少なくとも１つの面が有する曲面の曲率は、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる
   請求項３記載の照明光学装置。
5. 前記拡散板は、前記ライトパイプの射出面の曲面の曲率が大きい方向に沿って拡散性が
   大きくなっている
   請求項４記載の照明光学装置。
6. 前記光源と前記ライトパイプとが、光学的に密着されて成る
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の照明光学装置。
7. 前記拡散板は、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる拡散性を有する
   請求項１又は２記載の照明光学装置。
8. 前記拡散板は、前記光学レンズの光学パワーの大きい方向に沿って拡散性が大きくなっている
   請求項１又は２記載の照明光学装置。
9. 照明光学装置と、空間光変調部により変調された表示画像を観察者の瞳に導く虚像結像光学系とを有し、
   前記照明光学装置は、
   光源と、
   前記光源より射出した光束が入射する入射面と、少なくとも入射した前記光束の一部を内部全反射させる側面と、前記入射面よりも面積の大きい射出面とを有するライトパイプと、
   前記ライトパイプから射出された光束が入射する少なくとも１つの光学レンズと、
   前記光学レンズから出射した光束を拡散する拡散板と、
   前記拡散板にて拡散された光で照明される空間光変調部と、を備え、
   前記光学レンズのうち少なくとも１つは、２つのシリンドリカルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる虚像表示装置。
10. 照明光学装置と、空間光変調部により変調された表示画像を観察者の瞳に導く虚像結像光学系とを有し、
    前記照明光学装置は、
    光源と、
    前記光源より射出した光束が入射する入射面と、少なくとも入射した前記光束の一部を内部全反射させる側面と、前記入射面よりも面積の大きい射出面とを有するライトパイプと、
    前記ライトパイプから射出された光束が入射する少なくとも１つの光学レンズと、
    前記光学レンズから出射した光束を拡散する拡散板と、
    前記拡散板にて拡散された光で照明される空間光変調部と、を備え、
    前記光学レンズのうち少なくとも１つは、１方向にのみ光学パワーを有する２つのフレネルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる虚像表示装置。
11. 前記虚像結像光学系は、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向に沿った前記空間光変調部からの射出光の開口数及び／又は主光線の射出角が互いに異なる
    請求項９又は１０記載の虚像表示装置。
12. 前記虚像結像光学系は、前記空間光変調部の各画素から射出した光束を互いに進行方位が異なる平行光束群にするコリメート光学系と、前記平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後観察者の瞳に向けて射出するよう構成された導光板とから構成され、
    前記導光板は、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、前記平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出するよう回折反射する第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１１記載の虚像表示装置。
13. 前記平行光束群は、前記導光板内で反射する方向と、前記導光板内を伝播する方向とに沿う平面に対してほぼ直交する方向には反射しないで伝播される
    請求項１２記載の虚像表示装置。
14. 前記平行光束群は、前記第１の反射型体積ホログラムグレーティングの異なる部分で回折反射されて合波される平行光束を含む
    請求項１２記載の虚像表示装置。