JPH10319342A - Eye ball projection type video display device - Google Patents

Eye ball projection type video display device

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Publication number
JPH10319342A
JPH10319342A JP12552497A JP12552497A JPH10319342A JP H10319342 A JPH10319342 A JP H10319342A JP 12552497 A JP12552497 A JP 12552497A JP 12552497 A JP12552497 A JP 12552497A JP H10319342 A JPH10319342 A JP H10319342A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pupil
display device
exit pupil
pixel
image display
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP12552497A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazunari Hanano
花野和成
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP12552497A priority Critical patent/JPH10319342A/en
Publication of JPH10319342A publication Critical patent/JPH10319342A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light video display device capable of reproducing a high definition video by projecting a resolution video on the retina without being eclipsed. SOLUTION: Relating to an eye ball projection type video display device provided with a video display device 3 containing two-dimensionally arranged pixels and an observation optical system 1 containing a microlens array 2 having an action adding positive power to luminous flux emitted from respective pixels of the video display device 3, the microlens array 2 is provided with the action increasing the resolution of the pixels and leading to an observer eye ball E, and is provided with a movable part 6 moving the microlens array 2 or the video display device 3 so that an exit pupil formed by the observation optical system 1 answering to the movement of the pupil follows so as to be made the luminous flux outgoing from the observation optical system 1 incident on the observer pupil.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、眼球投影型映像表
示装置に関し、特に、映像表示手段の1画素1画素を観
察者の網膜上に結像させる短焦点光学素子を用いる映像
表示装置において、装置中の光学系の射出瞳を観察者瞳
孔位置に追尾させ、映像情報を含んだ光束が常に瞳孔を
通過するようにすることによって、良好な映像観察が可
能な薄型高解像の眼球投影型映像表示装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an eyeball projection type image display device, and more particularly, to an image display device using a short focal length optical element for forming an image of one pixel of an image display means on a retina of an observer. By tracking the exit pupil of the optical system in the apparatus to the position of the observer's pupil and allowing the luminous flux containing image information to always pass through the pupil, a thin, high-resolution eyeball projection type that enables good image observation The present invention relates to a video display device.

【0002】[0002]

【従来の技術】最近、ヴァーチャルリアリティと言う分
野において、観察者の眼前部に配された光学系により同
じく観察者の眼前部にある小型のディスプレイの虚像を
眼球の網膜上に投影することによって映像を知覚させる
頭部装着型ディスプレイ装置(HMD:Head Mo
unted Display。以下、HMDと呼ぶ。)
が提案されている。この種の装置は、使用者、利用者が
このようなディスプレイ装置を頭部に装着し、例えばV
TR等の大画面映像や画像、音声を一人で楽しめたりす
る等、種々の用途への利用が期待されている。
2. Description of the Related Art Recently, in the field of virtual reality, an image is projected on a retina of an eyeball by projecting a virtual image of a small display also located in front of the observer's eye by an optical system arranged in front of the observer's eye. Head-mounted display device (HMD: Head Mo)
unted Display. Hereinafter, it is called an HMD. )
Has been proposed. In this type of device, a user wears such a display device on his / her head,
It is expected to be used for various purposes such as enjoying a large screen video, image, and sound of a TR or the like by one person.

【0003】また、一方で、高画質な映像を提示するた
め、可視光や出力の弱い赤外域のビームを偏向し網膜上
に直接走査することで映像観察を可能とする網膜直接表
示装置が提案されている。
On the other hand, in order to present a high-quality image, a retinal direct display device has been proposed in which an image can be observed by deflecting visible light or a beam in the infrared region where output is weak and scanning directly on the retina. Have been.

【0004】特開平5−328261号、同6−433
91号、同7−311361号、同8−211325
号、同7−135623号、同8−205052号に記
載された従来技術は、上記の何れかの方式で映像を表示
する技術である。以下、個別にこれら従来技術について
説明する。
JP-A-5-328261, JP-A-6-433
No. 91, 7-31361, 8-213125
No. 7,135,623, and 8-205052 are techniques for displaying an image by any of the above-described methods. Hereinafter, these conventional techniques will be individually described.

【0005】特開平5−328261号、特開平6−4
3391号のものは何れも、観察光学系を介して映像表
示素子の虚像を網膜上に投影する方式であるが、観察光
学系が表示素子の画素に対応した微小レンズアレイを含
んでいるため、網膜と表示素子の各画素とが共役な関係
になることにより高解像化、さらに、微小レンズアレイ
が短焦点であることにより薄型化を達成している。
JP-A-5-328261, JP-A-6-4
No. 3391 is a method of projecting a virtual image of a video display element onto the retina via an observation optical system, but since the observation optical system includes a microlens array corresponding to the pixels of the display element, High resolution is achieved by the conjugate relationship between the retina and each pixel of the display element, and thinning is achieved by the short focal length of the microlens array.

【0006】しかし、この技術は、この光学系の射出瞳
の大きさがレンズアレイの各微小レンズの直径程度と非
常に小さいため、映像を観察していると光束が観察者眼
球でケラれ、映像観察が不可能になる状態が生じてしま
う。
However, in this technique, the size of the exit pupil of this optical system is very small, about the diameter of each minute lens of the lens array. Therefore, when observing an image, the luminous flux is vignetted by the observer's eyeball. A state in which image observation becomes impossible occurs.

【0007】本発明は、後記するように、この射出瞳径
が小さいことによって生じる観察者眼球でのケラレを改
善するための構成を明らかにしており、基本的にこの従
来技術の改良である。
The present invention, as will be described later, discloses a configuration for improving vignetting in the observer's eyeball caused by a small exit pupil diameter, and is basically an improvement of the prior art.

【0008】特開平7−311361号のものは、装置
と眼球の位置関係のずれを検出し、機械的に最適な位置
調整を行う技術である。この技術は、観察光学系に上述
の微小レンズアレイのような焦点距離の非常に短い光学
素子を用いていないため、映像表示素子から観察光学系
の眼球側最終面までの距離が上述の微小レンズアレイを
用いた場合より大きい。したがって、調整のために必要
とする機械的な可動範囲が大きくなってしまう。そのた
め、機械可動性を実現するアクチュエータや微小モータ
のストローク量が大きくなり、そのため装置全体が大型
化してしまう。
Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 7-31361 discloses a technique for detecting a shift in the positional relationship between an apparatus and an eyeball and performing mechanically optimal position adjustment. This technique does not use an optical element with a very short focal length, such as the above-mentioned microlens array, in the observation optical system, so the distance from the image display element to the eyeball-side final surface of the observation optical system is the above-mentioned microlens. Greater than with arrays. Therefore, the mechanical movable range required for the adjustment increases. For this reason, the stroke amount of the actuator or the minute motor for realizing the mechanical movability is increased, and the size of the entire apparatus is increased.

【0009】また、小型化するために照明光源を点光源
とし、眼球と共役な位置に点光源が位置するように点光
源を小型アクチュエータ等で移動する技術も記述されて
いるが、点光源照明は以下のような技術的難点がある。
点光源照明の構成では、映像表示素子が網膜と共役関係
にないので、高精細な映像を得るためには、幾何学的に
考えると、瞳孔の上に作られるピンホールの直径を小さ
くしなければならない。しかし、これを小さくしすぎる
と、光の回折作用によるぼけが大きくなり、結果として
点光源照明では高精細な映像を得ることができない。
In addition, a technique is described in which an illumination light source is used as a point light source for miniaturization, and the point light source is moved by a small actuator or the like so that the point light source is located at a position conjugate with the eyeball. Has the following technical difficulties.
In the point light source illumination configuration, the image display element is not in a conjugate relationship with the retina, so in order to obtain a high-definition image, it is necessary to reduce the diameter of the pinhole formed on the pupil when considering geometrically. Must. However, if this is made too small, the blur due to the diffraction effect of light becomes large, and as a result, a high-definition image cannot be obtained with point light source illumination.

【0010】また、この点光源による照明は、照明のN
A(開口数)が極めて小さいため、網膜上に再現される
虚像を形成する光束は焦点深度が極めて深い。人間の瞳
孔は無数の繊維体で構成されているが、完全なものでは
なく、繊維体の中には欠落を持つものがある。このた
め、光束の焦点深度が深いと、この瞳孔の欠落をも網膜
上に投影してしまうことになり、映像の解像度を落とす
ことになってしまう。このように、小型化と高解像を両
立することが望ましいが、本従来例はその配慮がなされ
ていない。
The illumination by the point light source is N
Since A (numerical aperture) is extremely small, the luminous flux forming a virtual image reproduced on the retina has an extremely deep depth of focus. The human pupil is composed of countless fibrous bodies, but is not perfect, and some fibrous bodies have missing parts. For this reason, if the depth of focus of the light beam is deep, this lack of the pupil is also projected on the retina, and the resolution of the image is reduced. As described above, it is desirable to achieve both miniaturization and high resolution, but this conventional example does not take this into account.

【0011】特開平8−211325号のものは、眼球
の動きや移動による光束のケラレに対して、照明光源に
複数の点光源アレイを配し、そのアレイの中、検出した
瞳孔位置と共役な位置にあたる点光源のみを選択点灯さ
せることで対応している技術である。この従来例によれ
ば、メカニカルな動作を必要とせず、点光源のスイッチ
ングだけで眼球の動きに追従できるため、構成がシンプ
ルでレスポンスが速いと言うメリットがある。
Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 8-213325 discloses a method in which a plurality of point light source arrays are arranged as illumination light sources in order to prevent vignetting of a light beam due to movement or movement of an eyeball, and the array is conjugate with a detected pupil position. This is a technology that is supported by selectively lighting only a point light source corresponding to a position. According to this conventional example, the mechanical movement is not required, and the movement of the eyeball can be followed only by switching the point light source. Therefore, there is an advantage that the configuration is simple and the response is fast.

【0012】しかしながら、上述のように、点光源照明
における解像度の問題があり、その配慮に欠ける。さら
に、光学系に短焦点の光学素子を用いていないために、
観察光学系の眼球側最終面までの距離が大きい。
However, as described above, there is a problem of the resolution in the point light source illumination, and the consideration is lacking. Furthermore, since no short-focus optical element is used in the optical system,
The distance to the eyeball-side final surface of the observation optical system is large.

【0013】特開平7−135623号、特開平8−2
05052号のものは何れも、可視光や出力の弱い赤外
域のビームを用いて、観察者眼球直前で偏向し網膜上に
直接走査することで、高解像な映像を観察可能とする技
術である。この従来例では、レーザ又はそれに類する指
向性の高いビームを使用するため、発生装置として高価
であり、複雑大型化しやすい。また、目への影響といっ
た点も懸念される。
JP-A-7-135623, JP-A-8-2
05052 is a technology that makes it possible to observe a high-resolution image by deflecting just before the observer's eyeball and scanning directly on the retina using visible light or a beam in the infrared region with weak output. is there. In this conventional example, since a laser or a beam having a high directivity similar to the laser is used, the generator is expensive, and it is easy to increase the size and complexity. There are also concerns about the effects on the eyes.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の従来技
術が有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目
的は、高解像な映像をケラれることなく網膜上に投影し
て高精細な映像を再現できる映像表示装置を軽量化を実
現した形で提供することである。なお、本発明における
映像表示デバイスには特に限定はなく、公知の適用可能
なもの全てを意味する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has as its object to project a high-resolution image onto the retina without vignetting. It is an object of the present invention to provide an image display device capable of reproducing a fine image in a form in which the weight is reduced. It should be noted that the video display device in the present invention is not particularly limited, and means all known applicable devices.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の眼球投影型映像表示装置は、映像を表示するために
2次元的に配列した画素を含んだ映像表示手段と、前記
映像表示手段の各画素から射出された光束に正のパワー
を付加する作用を持った微小光学素子を2次元的に配列
した光学部材を含む観察光学系とを備えた眼球投影型映
像表示装置において、前記光学部材が、前記画素の解像
度を増加させて観察者眼球に導く作用を有すると共に、
前記観察光学系を射出した光束を観察者瞳孔に入射させ
られるように、前記瞳孔の移動に対応して前記観察光学
系により形成される射出瞳が移動するように構成されて
いることを特徴とするものである。
According to the present invention, there is provided an eyeball projection type image display apparatus for achieving the above object, comprising: an image display means including two-dimensionally arranged pixels for displaying an image; An observation optical system including an optical member having a two-dimensionally arrayed micro optical element having a function of adding a positive power to a light beam emitted from each pixel of the eyeball projection type image display apparatus. The member has an effect of increasing the resolution of the pixel and guiding it to the observer's eyeball,
An exit pupil formed by the observation optical system is configured to move in accordance with the movement of the pupil so that a light beam emitted from the observation optical system can be made to enter an observer pupil. Is what you do.

【0016】本発明のもう1つの眼球投影型映像表示装
置は、映像を表示するために2次元的に配列した画素を
含んだ映像表示手段と、前記映像表示手段の各画素に対
応して2次元的に配列され、前記映像表示手段の各画素
からの射出光束を観察者眼球に導く微小光学素子を含む
観察光学系と、観察者瞳孔位置を検出する瞳孔位置検出
手段と、前記観察光学系の射出瞳の位置を変化させる射
出瞳位置移動手段とを有することを特徴とするものであ
る。これらにおいて、映像表示手段は自家発光型のもの
とすることができる。
According to another aspect of the present invention, there is provided an eyeball projection type image display device, comprising: an image display means including pixels arranged two-dimensionally for displaying an image; and two pixels corresponding to each pixel of the image display means. An observation optical system that is arranged in a three-dimensional manner and includes a micro optical element that guides an emitted light beam from each pixel of the image display unit to an observer's eyeball, a pupil position detection unit that detects an observer pupil position, and the observation optical system And an exit pupil position moving means for changing the position of the exit pupil. In these, the image display means can be of a self-luminous type.

【0017】本発明のさらにもう1つの眼球投影型映像
表示装置は、映像を表示するために2次元的に配列した
画素を有する透過型映像表示手段と、前記透過型映像表
示手段を照明する照明手段と、前記透過型映像表示手段
の各画素からの射出光束を観察者眼球に導く微小光学素
子を含む観察光学系と、観察者瞳孔位置を検出する瞳孔
位置検出手段と、前記観察光学系の射出瞳の位置を変化
させる射出瞳位置移動手段とを有することを特徴とする
ものである。
Still another aspect of the present invention is a transmissive image display device having two-dimensionally arranged pixels for displaying an image, and an illumination for illuminating the transmissive image display device. Means, an observation optical system including a micro optical element for guiding an emitted light beam from each pixel of the transmission type image display means to an observer's eyeball, a pupil position detection means for detecting an observer pupil position, and An exit pupil position moving means for changing the position of the exit pupil.

【0018】本発明においては、観察光学系が短焦点の
微小光学素子を有することによって、眼球投影型映像表
示装置を小型軽量化することができ、加えて映像表示手
段の各画素と観察者の網膜が共役関係にあることによっ
て高精細な映像を提供することができ、さらに、観察者
の瞳孔位置を検出し、その瞳孔位置に観察光学系の射出
瞳を追尾させることによって、この高精細な映像がケラ
レることなく観察可能となる。また、映像表示手段とし
て自家発光型のものを用いると、照明手段を必要としな
いため、構成がシンプルになる。
In the present invention, since the observation optical system has the micro optical element having a short focus, the size of the eyeball projection type image display device can be reduced, and in addition, each pixel of the image display means and the viewer's By providing a conjugate relationship between the retina, a high-definition image can be provided.Furthermore, by detecting the pupil position of the observer and tracking the exit pupil of the observation optical system at the pupil position, this high-definition image is obtained. Images can be observed without vignetting. In addition, if a self-luminous type is used as the image display means, no illuminating means is required, so that the configuration is simplified.

【0019】さらに、透過型映像表示手段を使用する場
合には、照明手段側でNAの制御等も可能なので、解像
度を劣化させる原因でもある正規の微小光学素子以外の
微小光学素子に光が入り込んでしまうゴーストやフレア
の原因になるいわゆるクロストークと言う現象を防ぐこ
とができる。
Further, when the transmissive image display means is used, the NA can be controlled on the illuminating means side, so that light enters a small optical element other than a regular small optical element which also causes a deterioration in resolution. This can prevent a phenomenon called so-called crosstalk, which causes ghosts and flares.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】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。 〔実施例1〕図1を参照しながら本発明の実施例1を説
明する。図1は実施例1の概略構成図を示し、その構成
は、図右側から順に、瞳孔、水晶体、網膜等から構成さ
れる観察者の眼球E、フィールドレンズ1、その後方に
マイクロレンズアレイ2、その後方に映像を表示する映
像表示手段として例えばLEDアレイのような自家発光
型の表示デバイス3が配置され、さらに、観察者の瞳孔
の位置を検出する瞳孔位置検出部4、この検出結果に基
づいてマイクロレンズアレイ2の移動量を演算、制御す
る演算制御部5、マイクロレンズアレイ2を光軸に対し
垂直な平面上(以下、これを2軸で移動させる、と称す
る。)で移動させる駆動部6が設けられている。眼球E
は瞳孔がフィールドレンズ1の略焦点位置離れた所に位
置するように配される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an eyeball projection type image display device according to the present invention will be described based on several embodiments. Embodiment 1 Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the first embodiment. The configuration includes, in order from the right side of the figure, an eyeball E of an observer including a pupil, a crystalline lens, a retina, and the like, a field lens 1, a microlens array 2 behind the eyeball E, A self-luminous display device 3 such as an LED array, for example, is arranged as image display means for displaying an image behind, and a pupil position detector 4 for detecting the position of the pupil of the observer, based on the detection result. The arithmetic and control unit 5 for calculating and controlling the amount of movement of the microlens array 2 by driving the microlens array 2 on a plane perpendicular to the optical axis (hereinafter referred to as moving the microlens array 2 on two axes). A part 6 is provided. Eyeball E
Are arranged such that the pupil is located at a position substantially away from the focal point of the field lens 1.

【0021】瞳孔位置検出部4としては、観察者の瞳孔
位置付近をCCD等の電荷結合素子等で撮像して取り込
み、画像処理等を施して瞳孔位置を判別する手法や、白
目と黒目の反射率の違いに着目してセンシングする強膜
反射法や、プルキンエ像と称される角膜反射像と眼底の
反射像、又は、光彩のエッジの位置から視線方向を判別
する手法、さらに、生体信号を利用する手法等がある
が、状況に応じて最適な手法を用いる。
The pupil position detection unit 4 captures and captures the vicinity of the pupil position of the observer with a charge-coupled device such as a CCD, and performs image processing or the like to determine the pupil position. The scleral reflection method that focuses on the difference in the rate, the corneal reflection image called the Purkinje image and the reflection image of the fundus, or the method of determining the gaze direction from the position of the edge of the glow, There are methods to use, etc., but the most appropriate method is used according to the situation.

【0022】本実施例は、フィールドレンズ1とマイク
ロレンズアレイ2とで観察光学系を形成しているが、眼
球Eの直前に接眼レンズを配して表示画角を変更しても
よいが、アイリリーフが短くなるので、必要により組み
込めるようにしてもよい。
In this embodiment, the observation optical system is formed by the field lens 1 and the microlens array 2. However, the display field angle may be changed by disposing an eyepiece immediately before the eyeball E. Since the eye relief becomes shorter, it may be incorporated if necessary.

【0023】フィールドレンズ1としては、表示画角を
大きくする場合は、周辺における収差等が顕著になるた
め、非球面レンズ等で構成してもよい。図2には、図1
に示した本発明による構成の装置を内蔵することによっ
て可能になる小型のメガネ型HMD10を観察者頭部に
装着した様子を示す。
The field lens 1 may be constituted by an aspherical lens or the like since the peripheral aberration and the like become remarkable when the display angle of view is increased. FIG. 2 shows FIG.
1 shows a state in which a small glasses-type HMD 10 enabled by incorporating the device having the configuration according to the present invention shown in FIG.

【0024】次に、図3のブロック図を用いながら図1
の概略構成の装置をHMD10に内蔵した場合の動作原
理の説明をする。映像表示デバイス3に映像を出力、表
示するための図示しない表示デバイス駆動回路、画像発
生回路等の回路群からなる映像制御部7からの映像信号
によりLEDアレイ等の表示デバイスである映像表示部
3に映像を表示する。このとき、観察者の瞳孔位置をC
CD等のエリアセンサにより検出する瞳孔位置検出部4
により検出された瞳孔位置情報をもとに、図1中に示さ
れるような映像を観察者の眼球に投影する光学系の射出
瞳を、観察者の瞳孔の動きに応じて瞳孔位置に移動させ
るべく、マイクロレンズアレイ2をマイクロレンズアレ
イ可動部6にてシフトさせる。このマイクロレンズアレ
イ2の可動量は、可動量演算及び制御部5にて演算、制
御される。これらはHMDと言う表示系形態の場合、図
3に示されるように、映像制御部7、可動量演算及び制
御部5、また、図示しない電源等はコントローラ11に
内蔵され、映像表示部3、視線検出部4、マイクロレン
ズアレイ可動部6はHMD10に内蔵される。
Next, referring to the block diagram of FIG.
The operation principle when the device having the schematic configuration described above is built in the HMD 10 will be described. A video display unit 3 which is a display device such as an LED array in response to a video signal from a video control unit 7 comprising a circuit group such as a display device driving circuit and an image generation circuit (not shown) for outputting and displaying a video on the video display device 3. To display the video. At this time, the pupil position of the observer is C
Pupil position detector 4 for detecting by an area sensor such as a CD
The pupil position of the optical system that projects an image as shown in FIG. 1 onto the eyeball of the observer is moved to the pupil position according to the movement of the pupil of the observer based on the pupil position information detected by For this purpose, the microlens array 2 is shifted by the microlens array movable section 6. The movable amount of the microlens array 2 is calculated and controlled by the movable amount calculation and control unit 5. In the case of a display system form called an HMD, as shown in FIG. 3, a video control unit 7, a movable amount calculation and control unit 5, and a power source (not shown) are built in the controller 11, and the video display unit 3, The line-of-sight detection unit 4 and the microlens array movable unit 6 are built in the HMD 10.

【0025】次に、マイクロレンズアレイ2を移動させ
ることによって観察光学系の射出瞳を移動させる原理を
説明する。図4において、映像表示デバイス3の各画素
13とマイクロレンズアレイ2の各レンズの主平面との
距離をaとし、マイクロレンズアレイ2の物体側主平面
からフィールドレンズ1の主平面までの距離をbとす
る。以下、本発明において、マイクロレンズアレイ2と
フィールドレンズ1の主平面は物体側と像側では略等し
いとし、単に主平面とする。図4では、便宜上映像表示
デバイス3は画素13のみを描いてある。マイクロレン
ズアレイ2の焦点距離、フィールドレンズ1の焦点距離
をそれぞれfm 、fo とすると、結像関係から、 a=fm −fm 2 /(fo +fm −b) となる。ここで、b≒0とすれば、fm ≪fo であるか
ら、上式は、 a=fm −fm 2 /(fo +fm )≒fm となる。ここで、図4において、マイクロレンズアレイ
2を図中左方向にSシフトさせたとき(移動後のマイク
ロレンズ2は点線で示してある。)、この光学系の射出
瞳の移動量をDとすれば、斜線の三角形OPQと三角形
O’P’Q’が相似の関係にあることから、 S=aD/fo ≒fm D/fo の関係が導かれる。したがって、マイクロレンズアレイ
2のシフト量と射出瞳の移動量との関係は、フィールド
レンズ1の焦点距離fo とマイクロレンズアレイ2の焦
点距離fm との比に略等しい関係になるので、両者の焦
点距離の比が大きければ、マイクロレンズアレイ2のシ
フト量が小さくても射出瞳位置を大きく移動させること
ができる。
Next, the principle of moving the exit pupil of the observation optical system by moving the microlens array 2 will be described. In FIG. 4, the distance between each pixel 13 of the video display device 3 and the main plane of each lens of the micro lens array 2 is a, and the distance from the object side main plane of the micro lens array 2 to the main plane of the field lens 1 is b. Hereinafter, in the present invention, the principal planes of the micro lens array 2 and the field lens 1 are assumed to be substantially equal on the object side and the image side, and are simply referred to as principal planes. In FIG. 4, the image display device 3 illustrates only the pixels 13 for convenience. Focal length of the microlens array 2, the focal length of the field lens 1 respectively f m, if the f o, from imaging relationship, and a = f m -f m 2 / (f o + f m -b). Here, if b ≒ 0, because it is f m «f o, the above equation becomes a = f m -f m 2 / (f o + f m) ≒ f m. Here, in FIG. 4, when the microlens array 2 is shifted S in the left direction in the figure (the moved microlens 2 is indicated by a dotted line), the moving amount of the exit pupil of this optical system is denoted by D. if, because the shaded triangle OPQ and triangle O'P'Q 'have the relationship of similarity, the relationship S = aD / f o ≒ f m D / f o is derived. Thus, since the relationship between the moving amount of the exit pupil and the shift amount of the microlens array 2 will approximately equal relation to the ratio between the focal length f m of the focal point of the field lens 1 distance f o and the microlens array 2, both Is large, the exit pupil position can be largely moved even if the shift amount of the microlens array 2 is small.

【0026】ここで、微小光学素子を含む観察光学系の
眼側の主点と射出瞳までの距離をR、観察光学系を射出
する主光線傾角の変化量をΔとすれば、射出瞳移動量D
は、 D=RΔ ・・・(1) また、マイクロレンズアレイ2を射出する時点での主光
線傾角の変化量をΔ’とすれば、マイクロレンズアレイ
2の移動量Sは、 S=fm Δ’ ・・・(2) ∴Δ’=S/fm となる。
Here, assuming that the distance between the principal point on the eye side of the observation optical system including the micro optical element and the exit pupil is R, and the variation of the inclination of the principal ray exiting the observation optical system is Δ, the exit pupil shift Quantity D
Is, D = RΔ ··· (1) Further, if the variation of the principal ray inclination at the time of injecting the microlens array 2 and delta ', the movement amount S of the microlens array 2, S = f m Δ '··· (2) ∴Δ' = a S / f m.

【0027】光線傾角は、像高をhとすれば、一般に以
下の式で表せる。 θ’=θ−h/fo ここで、θは焦点距離fo のレンズに高さhで入射する
主光線の入射角であり、θ’は射出角である。
The ray tilt angle can be generally expressed by the following equation, where h is the image height. 'Here = θ-h / f o, θ is the incident angle of the principal rays entering at a height h to a lens of focal length f o, θ' θ is the exit angle.

【0028】マイクロレンズアレイ2からのフィールド
レンズ1への入射主光線傾角がθ1からθ2 に変化した
とき、フィールドレンズ1での射出主光線傾角がθ1
からθ2 ’へ変化し、それによって像高がh1 からh2
に変化するとした場合、 θ1 ’=θ1 −h1 /fo θ2 ’=θ2 −h2 /fo である。
When the tilt angle of the chief ray incident on the field lens 1 from the microlens array 2 changes from θ 1 to θ 2 , the tilt angle of the chief ray emerging from the field lens 1 becomes θ 1 ′.
To θ 2 ′, thereby increasing the image height from h 1 to h 2
If the changes to a θ 1 '= θ 1 -h 1 / f o θ 2' = θ 2 -h 2 / f o.

【0029】Δ’=θ2 ’−θ1 ’、Δ=θ2 −θ1
また、主光線傾角の変動に伴う像高hの変化量h2 −h
1 をξとすれば、上記両式の差をとって、 Δ’−Δ=ξ/fo という関係式が導かれる。ここで、マイクロレンズアレ
イ2の物体側の主点とそれ以降のフィールドレンズ1の
眼側の主点がおよそ近接しているため、 ξ≪fo したがって、Δ’=Δであるから、(1)式、(2)式
より以下の関係式が導かれる。
Δ ′ = θ 2 ′ −θ 1 ′, Δ = θ 2 −θ 1 ,
Also, the change amount h 2 −h of the image height h due to the change of the chief ray inclination angle.
If the 1 and xi], taking the difference between the two equations, equation of Δ'-Δ = ξ / f o is derived. Here, since the principal point on the object side of the microlens array 2 and the subsequent principal point on the eye side of the field lens 1 are approximately close to each other, ξ≪f o and Δ ′ = Δ. ) And (2), the following relational expression is derived.

【0030】D/S=R/fm 以上は、マイクロレンズアレイ2を移動させることによ
って光学系の射出瞳を移動させる方法であるが、マイク
ロレンズアレイ2は移動させずに、図5に示すように、
映像表示デバイス3を移動させても射出瞳を移動させる
ことができる。なお、図5においても、便宜上映像表示
デバイスは画素13のみを描いてある。
[0030] D / S = R / f m above is a method of moving the exit pupil of the optical system by moving the microlens array 2, the microlens array 2 without moving, illustrated in FIG. 5 like,
The exit pupil can be moved even when the image display device 3 is moved. Note that in FIG. 5 as well, the image display device only illustrates the pixels 13 for convenience.

【0031】図5に映像表示デバイスを移動させること
によって光学系の射出瞳が移動する様子を示す。映像表
示デバイスの各画素13とマイクロレンズアレイ2の各
レンズの主平面との距離をaとし、マイクロレンズアレ
イ2の主平面からフィールドレンズ1の主平面までの距
離をbとする。
FIG. 5 shows how the exit pupil of the optical system moves by moving the image display device. The distance between each pixel 13 of the video display device and the main plane of each lens of the micro lens array 2 is defined as a, and the distance from the main plane of the micro lens array 2 to the main plane of the field lens 1 is defined as b.

【0032】このケースにおいても、マイクロレンズア
レイ2の焦点距離、フィールドレンズ1の焦点距離をそ
れぞれfm 、fo とすれば、 a=fm −fm 2 /(fo +fm )≒fm なる関係が成り立ち、図5において、各画素13を図中
右方向にSシフトさせたとき(移動後の各画素13はハ
ッチを入れてある。)、この光学系の射出瞳の移動量を
Dとすれば、やはり三角形OPQと三角形O’P’Q’
が相似の関係にあることから、 S=aD/fo ≒fm D/fo の関係が導かれる。
[0032] Also in this case, the focal length of the microlens array 2, if the focal length of the field lens 1 f m, respectively, and f o, a = f m -f m 2 / (f o + f m) ≒ f The relationship m holds, and in FIG. 5, when each pixel 13 is shifted S in the right direction in the drawing (each pixel 13 after the movement is hatched), the movement amount of the exit pupil of this optical system is If D, triangle OPQ and triangle O'P'Q '
There the relation that similar relationship S = aD / f o ≒ f m D / f o is derived.

【0033】次に、マイクロレンズアレイ2の各レンズ
は映像表示デバイス3の各画素13に対応しているが、
このマイクロレンズ2のピッチ、すなわち、映像表示デ
バイス3の画素ピッチについて説明を行う。各画素13
から発せられた光がマイクロレンズアレイ2に到達する
際、ピッチが小さいと、1つの画素13に対応している
1つの正規の微小レンズ以外のレンズにまで光が入り込
むいわゆるクロストーク現象が生じやすくなる。これは
映像表示デバイス3の各画素13からの射出光分布にも
よるが、大抵映像表示デバイス3の射出光分布は各微小
レンズのNA(開口数)より十分大きいから、クロスト
ークは常に生じていると考えられる。このとき、クロス
トークした光は正規の映像を劣化させる不要光である。
すなわち、ゴーストやフレアの原因になる。そのため、
良好な映像表示状態にするには、クロストークによる光
束が観察者の目Eに入らないような光学系の構成にする
必要がある。
Next, each lens of the micro lens array 2 corresponds to each pixel 13 of the video display device 3,
The pitch of the microlenses 2, that is, the pixel pitch of the video display device 3 will be described. Each pixel 13
When the light emitted from the microlens array 2 reaches the microlens array 2, if the pitch is small, a so-called crosstalk phenomenon in which the light enters a lens other than one regular microlens corresponding to one pixel 13 easily occurs. Become. This depends on the distribution of light emitted from each pixel 13 of the image display device 3. However, since the distribution of light emitted from the image display device 3 is usually sufficiently larger than the NA (numerical aperture) of each microlens, crosstalk always occurs. It is thought that there is. At this time, the crosstalked light is unnecessary light that degrades a normal image.
That is, it causes ghost and flare. for that reason,
In order to obtain a good image display state, it is necessary to configure the optical system so that a light beam due to crosstalk does not enter the eyes E of the observer.

【0034】図6に示すように、ある画素13から対応
している正規の微小レンズの隣のレンズに入り込む光
(以下、1次のクロストーク光と称す。)は各画素13
で生じるが、それらの光束は正規の射出瞳の隣にやはり
瞳を形成する。正規の瞳からこの1次のクロストーク光
による瞳までの距離が瞳孔径に比べて十分大きければ、
隣の隣以上のレンズに入り込むことによって生じる2次
以上のクロストーク光による瞳はもとより、不要光であ
るクロストーク光束は目に入らないので、良好な観察が
できる。いま、図7に示すように、表示画角の半画角を
θとし、眼球Eの回旋中心から瞳孔までの距離をe、観
察者が映像最周辺を見たときの瞳孔中心位置から中央を
見ているときの瞳孔中心までの距離、すなわち、瞳孔最
大移動距離をDとすれば、 D=e・sinθ である。図8に示すように、1次のクロストークが生じ
ている角度をθc とし、マイクロレンズアレイ2のピッ
チをpとすれば、1次のクロストークによる射出瞳位置
dは、斜線で示される三角形OSTと三角形O’S’
T’は略相似関係であるから、 d=fo p/a≒fo p/fm である。このdが瞳孔最大移動距離Dより大きければ、
不要光であるクロストーク光は観察者の目に入らない。
したがって、そのようなピッチの制限条件は以下の式に
なる。
As shown in FIG. 6, light (hereinafter referred to as first-order crosstalk light) entering a lens adjacent to a corresponding normal microlens from a certain pixel 13 is applied to each pixel 13.
, The light beams also form a pupil next to the regular exit pupil. If the distance from the regular pupil to the pupil by this primary crosstalk light is sufficiently large compared to the pupil diameter,
Since not only the pupil due to the second-order or higher crosstalk light generated by entering the lens adjacent to the adjacent lens but also the crosstalk light flux which is unnecessary light does not enter the eyes, good observation can be performed. Now, as shown in FIG. 7, a half angle of view of the display angle of view is θ, a distance from the center of rotation of the eyeball E to the pupil is e, Assuming that the distance to the center of the pupil when watching, that is, the maximum pupil movement distance is D, D = e · sin θ. As shown in FIG. 8, assuming that the angle at which the primary crosstalk occurs is θ c and the pitch of the microlens array 2 is p, the exit pupil position d due to the primary crosstalk is indicated by oblique lines. Triangle OST and triangle O'S '
T 'is because it is substantially similar relationship is d = f o p / a ≒ f o p / f m. If this d is larger than the pupil maximum movement distance D,
Crosstalk light, which is unnecessary light, does not enter the eyes of the observer.
Therefore, such a limiting condition of the pitch is given by the following equation.

【0035】 p>aD/fo ≒fm e・sinθ/fo また、上述のようにマイクロレンズアレイ2又は表示デ
バイス3を移動させることによって瞳孔に射出瞳を追尾
させる際、留意することがある。それは、マイクロレン
ズアレイ2又は表示デバイス3を移動させると表示映像
はシフトすることである。図9(a)は、マイクロレン
ズアレイ2又は表示デバイス3を移動させる前の状態を
示す。左が眼球Eに入射してくる光束の様子を表し、右
の絵はそのとき網膜上に投影されている、すなわち、認
識できる表示映像を示す。この映像中でXで示される画
面中央からYで示される方向を見ようと視線を動かす
と、それに従ってマイクロレンズアレイ2又は表示デバ
イス3を移動させ、射出瞳がシフトされ、瞳孔に追尾す
る。そのとき、眼球Eに入射する光束の状態と表示映像
の状態は図9(b)のようになり、網膜上での像が動い
てしまう。すなわち、見たいポイントの方向から若干ず
れてしまう。
[0035] p> aD / f o ≒ f m e · sinθ / f o Also, when to track the exit pupil in the pupil by moving the microlens array 2 or the display device 3 as described above, it is noted is there. That is, when the microlens array 2 or the display device 3 is moved, the displayed image is shifted. FIG. 9A shows a state before the microlens array 2 or the display device 3 is moved. The left side shows the state of the light beam entering the eyeball E, and the right side picture is projected on the retina at that time, that is, a recognizable display image. When the user moves his / her line of sight to look in the direction indicated by Y from the center of the screen indicated by X in this image, the microlens array 2 or the display device 3 is moved accordingly, and the exit pupil is shifted to track the pupil. At this time, the state of the light beam incident on the eyeball E and the state of the display image are as shown in FIG. 9B, and the image on the retina moves. That is, it slightly deviates from the direction of the point to be viewed.

【0036】この不都合を回避するため、マイクロレン
ズアレイ2又は表示デバイス3の移動に伴う表示映像の
シフトを見越して、それを補正するように表示する映像
側で逆側にシフトすればよい。
In order to avoid this inconvenience, a shift of the display image accompanying the movement of the microlens array 2 or the display device 3 may be anticipated, and the shift may be made to the opposite side on the image side to be displayed so as to correct the shift.

【0037】表示デバイス3を移動させるにしてもマイ
クロレンズアレイ2を移動させるにしても、シフト量と
それによる射出瞳の移動量の関係は略次の関係である。
Regardless of whether the display device 3 is moved or the microlens array 2 is moved, the relationship between the shift amount and the movement amount of the exit pupil due to the shift amount is approximately as follows.

【0038】S≒fm D/fo ここで、何れのケースにおいても、図4、図5における
三角形O’P’Q’における頂角∠P’O’Q’は等し
く、この角度をδとおけば、表示映像のシフト量はこの
δ分である。よって、補正するのにこの角度に相当する
分だけ逆方向にシフトした映像を表示すればよい。ここ
で、 δ=tan-1(D/fo )=tan-1(S/fm ) である。水平方向のみ言及すると、いま直視状態で中央
からΘの方向にある画素13を考えると、そのデバイス
3中央からその方向に至るまでの画素数をN/2とすれ
ば、以下の関係が成り立つ。
[0038] Here S ≒ f m D / f o , In any case, FIG. 4, 'apex angle ∠P'O'Q in' triangular O'P'Q in FIG 5 are equal, the angle δ If so, the shift amount of the displayed image is this δ minute. Therefore, it is only necessary to display an image shifted in the reverse direction by an amount corresponding to this angle for correction. Here, δ = tan −1 (D / f o ) = tan −1 (S / f m ). If only the horizontal direction is mentioned, assuming that the pixel 13 is in the direction of Θ from the center in the direct viewing state, the following relationship is established if the number of pixels from the center of the device 3 to the direction is N / 2.

【0039】N=(2fo tanΘ/Pm ) ただし、表示デバイス3(マイクロレンズアレイ2)の
ピッチをPm とする。
[0039] N = however (2f o tanΘ / P m) , the pitch of the display device 3 (microlens array 2) and P m.

【0040】よって、 Nd =(2fo tanδ/Pm ) に相当する画素数Nd だけ、図示しない映像制御手段の
方でリアルタイムに表示映像を逆側にシフトすれば、映
像シフトすることなく、見た方向そのものの映像を見る
ことができる。
[0040] Thus, only the N d = (2f o tanδ / P m) number of pixels N d equivalent to, if a shift in the opposite side of the display image in real time towards video control means (not shown), without image shift , You can see the image of the viewing direction itself.

【0041】以下、実際の数値を用いた例を示す。図1
に示すような表示光学系において、LEDアレイのよう
な映像表示デバイス3の素子サイズを30mm×22.
5mmとし、表示デバイス3の画素ピッチと同じピッ
チ、同じ配列で、焦点距離1mmのマイクロレンズアレ
イ2のエレメントレンズが配列されている。そのすぐ観
察者側に焦点距離30mmのフィールドレンズ1があ
り、射出瞳までのアイリリーフは30mmである。この
表示系では、水平画角が約53°である。画素ピッチ、
レンズピッチを150μmとする。ちなみに、クロスト
ーク光による瞳が目Eに入らない条件において、眼球回
旋中心から瞳孔までの距離を9mmとすると、レンズピ
ッチは134μm以上となる。画素数は200×150
の総画素数30,000になる。
Hereinafter, an example using actual numerical values will be described. FIG.
In the display optical system as shown in FIG. 2, the element size of the image display device 3 such as an LED array is 30 mm × 22.
The element lenses of the microlens array 2 having a focal length of 1 mm are arranged at the same pitch and the same arrangement as the pixel pitch of the display device 3. Immediately on the observer side is a field lens 1 with a focal length of 30 mm, and the eye relief up to the exit pupil is 30 mm. In this display system, the horizontal angle of view is about 53 °. Pixel pitch,
The lens pitch is set to 150 μm. Incidentally, if the distance from the center of rotation of the eyeball to the pupil is 9 mm under the condition that the pupil due to the crosstalk light does not enter the eye E, the lens pitch becomes 134 μm or more. The number of pixels is 200 × 150
Is 30,000.

【0042】この表示系において、瞳孔が最大に動くと
きは、紙面上の水平方向では半画角である±26.6°
を見たときで、9×sin26.6°=4.03mmで
ある。この系の映像表示デバイス3を動かすことによっ
て瞳孔の動きに追尾させるには、瞳孔移動量とデバイス
可動量の関係式から、表示デバイス3を最大で134μ
mシフトできればよい。
In this display system, when the pupil moves to the maximum, the horizontal angle on the paper is a half angle of view of ± 26.6 °.
Is 9 × sin 26.6 ° = 4.03 mm. In order to track the movement of the pupil by moving the video display device 3 of this system, the display device 3 is set to a maximum of 134 μm from the relational expression between the pupil movement amount and the device movement amount.
It is only necessary to be able to shift m.

【0043】水平方向の10°を見たとき、瞳孔の移動
量は、9×sin10°=1.56mmである。これだ
け射出瞳を移動させるには、映像表示デバイス3をシフ
ト量の関係式より52μmシフトすればよい。このと
き、映像シフト量は角度にして約3°である。これを補
正するには、上述の式より約3画素逆方向にシフトさせ
ることにより、不要な映像シフトなく、映像を観察する
ことかできる。
When viewing 10 ° in the horizontal direction, the amount of movement of the pupil is 9 × sin10 ° = 1.56 mm. In order to move the exit pupil by this amount, the image display device 3 may be shifted by 52 μm from the relational expression of the shift amount. At this time, the image shift amount is about 3 degrees in angle. In order to correct this, the image can be observed without unnecessary image shift by shifting the pixel by about 3 pixels in the reverse direction from the above equation.

【0044】本実施例の表示系のサイズとしては次のよ
うになる。フィールドレンズ1の厚みは、この表示画角
とアイリリーフを満たす条件とし、屈折率1.5程度の
硝材の場合、8mm程度であるから、表示デバイス3の
厚みを3mm、マイクロレンズアレイ2の厚みを1mm
とした場合、本実施例の表示系は光軸方向の厚みは、表
示デバイス3からフィールドレンズ1の観察者側の最終
面まで約13mmと言った非常に薄型で広画角、高精細
な眼球投影型のディスプレイを提供できる。
The size of the display system of this embodiment is as follows. The thickness of the field lens 1 is a condition satisfying the display angle of view and the eye relief. In the case of a glass material having a refractive index of about 1.5, the thickness is about 8 mm. Is 1 mm
In this case, the display system of this embodiment has an extremely thin, wide angle of view, high-definition eyeball in which the thickness in the optical axis direction from the display device 3 to the final surface of the field lens 1 on the observer side is about 13 mm. A projection display can be provided.

【0045】〔実施例2〕図10に本発明の実施例2の
概略構成図を示す。図10は、実施例1(図1)におけ
るフィールドレンズがない例である。映像表示手段とし
てやはり自家発光型の表示デバイス3を用いる。表示画
角はマイクロレンズアレイ2の焦点距離と表示デバイス
3のサイズによる。図11に示すように、表示デバイス
3のサイズをL、画素ピッチをpd 、レンズピッチをp
m 、また、マイクロレンズアレイ2の焦点距離をfm
し、マイクロレンズアレイ2から射出瞳までの距離をR
とする。映像表示デバイス3とマイクロレンズアレイ2
は、マイクロレンズアレイ2の焦点距離分離して配置す
ることによって、各画素13から発せられた光束は平行
光束となり目Eに導光できる。紙面上、すなわち、表示
デバイス3の横方向の画素数は各微小レンズと対応して
いるから、微小レンズの数に等しく、その数をNとす
る。表示半画角をθとすれば、図11において、幾何学
的な関係から、 Npd /Npm =(R+fm )/R ∴pm =Rpd /(R+fm ) ただし、 R+fm =L/(2tanθ) となる。
[Embodiment 2] FIG. 10 is a schematic structural diagram of Embodiment 2 of the present invention. FIG. 10 shows an example in which there is no field lens in the first embodiment (FIG. 1). The self-luminous display device 3 is also used as the image display means. The display angle of view depends on the focal length of the microlens array 2 and the size of the display device 3. As shown in FIG. 11, the size of the display device 3 is L, the pixel pitch is p d , and the lens pitch is p.
m, also, the focal length of the microlens array 2 and f m, the distance from the microlens array 2 to the exit pupil R
And Image display device 3 and micro lens array 2
By arranging the microlens array 2 separated by the focal length, the luminous flux emitted from each pixel 13 becomes a parallel luminous flux and can be guided to the eye E. Since the number of pixels on the paper surface, that is, the number of pixels in the horizontal direction of the display device 3 corresponds to each minute lens, it is equal to the number of minute lenses. If the display half angle and theta, 11, from the geometrical relationship, Np d / Np m = ( R + f m) / R ∴p m = Rp d / (R + f m) However, R + f m = L / (2 tan θ).

【0046】次に、表示デバイス3を移動させることに
よって観察光学系の射出瞳を移動させる原理を説明す
る。図12において、映像表示デバイス3の各画素13
とマイクロレンズアレイ2の各レンズの主平面との距離
をマイクロレンズアレイ2の焦点距離fm とする。便宜
上映像表示デバイス3は画素13のみを描いてある。
Next, the principle of moving the exit pupil of the observation optical system by moving the display device 3 will be described. In FIG. 12, each pixel 13 of the video display device 3
And the distance between the main plane of each lens of the microlens array 2 and the focal length f m of the microlens array 2. For convenience, the image display device 3 shows only the pixels 13.

【0047】ここで、図12において、画素(表示デバ
イス)13を図中右方向にSシフトさせたとき(移動後
の各画素13はハッチを入れてある。)、この光学系の
射出瞳の移動量をDとすれば、三角形OPQと三角形O
P’Q’が相似の関係にあることから、 S=fm D/R=2fm Dtanθ/(L−2fm ta
nθ) の関係が導かれる。
Here, in FIG. 12, when the pixel (display device) 13 is shifted S in the right direction in the figure (each pixel 13 after the movement is hatched), the exit pupil of this optical system is changed. If the moving amount is D, the triangle OPQ and the triangle O
Since P'Q 'have the relationship of similarity, S = f m D / R = 2f m Dtanθ / (L-2f m ta
nθ) is derived.

【0048】ここで、実施例1にて述べた関係式
(1)、(2)において、観察光学系がマイクロレンズ
アレイ2のみで構成さる場合、Δ=Δ’であるから、 D/S=R/fm が導かれる。これは上式を満たしている。
Here, in the relational expressions (1) and (2) described in the first embodiment, when the observation optical system is composed of only the microlens array 2, Δ = Δ ′. R / f m is derived. This satisfies the above equation.

【0049】以上は、表示デバイス3を移動させること
によって光学系の射出瞳を移動させる方法であるが、表
示デバイス3は移動させずに、図13に示すように、マ
イクロレンズアレイ2を移動させても射出瞳を移動させ
ることができる。
The above is a method of moving the exit pupil of the optical system by moving the display device 3, but without moving the display device 3, the micro lens array 2 is moved as shown in FIG. However, the exit pupil can be moved.

【0050】図14に、マイクロレンズアレイ2を移動
させることによって光学系の射出瞳を移動させる様子を
示す。映像表示デバイス3の各画素13とマイクロレン
ズアレイ2の各レンズの主平面との距離をマイクロレン
ズアレイ2の焦点距離fm とする。便宜上映像表示デバ
イス3は画素13のみを描いてある。このケースにおい
ても、マイクロレンズアレイ2を図中左方向にSシフト
させたとき(移動後のマイクロレンズアレイを点線で描
いてある。)、この光学系の射出瞳の移動量をDとすれ
ば、幾何学的な関係から、 S=fm D/(R+D)=2fm Dtanθ/L なる関係が導かれる。ただし、R≫fm である。
FIG. 14 shows how the exit pupil of the optical system is moved by moving the microlens array 2. The distance between the main plane of the lens of each pixel 13 and the microlens array 2 of the image display device 3 and the focal length f m of the microlens array 2. For convenience, the image display device 3 shows only the pixels 13. Also in this case, when the microlens array 2 is shifted S to the left in the drawing (the moved microlens array is drawn by a dotted line), the movement amount of the exit pupil of this optical system is D. , from the geometrical relationship, S = f m D / ( R + D) = 2f m Dtanθ / L the relationship is derived. However, it is R»f m.

【0051】次に、実施例1でも触れたマイクロレンズ
アレイ2のピッチと映像表示デバイス3の画素ピッチに
ついて説明を行う。本実施例においても、クロストーク
は常に生じていると考えられるので、良好な映像表示状
態にするには、クロストークによる光束が観察者の目に
入らないようなピッチ構成にする必要がある。
Next, the pitch of the microlens array 2 and the pixel pitch of the video display device 3 mentioned in the first embodiment will be described. Also in this embodiment, since it is considered that crosstalk always occurs, it is necessary to make the pitch configuration such that the light beam due to the crosstalk does not enter the eyes of the observer in order to obtain a good image display state.

【0052】図15に示すように、正規の瞳からこの1
次のクロストーク光による瞳までの距離が瞳孔径に比べ
て十分大きければ、不要光であるクロストーク光束は目
に入らないので良好な観察状態を提供できる。図7に示
すように、表示画角の半画角をθとし、眼球Eの回旋中
心から瞳孔までの距離をe、観察者が映像最周辺を見た
ときの瞳孔中心位置から中央を見ているときの瞳孔中心
までの距離、すなわち、瞳孔最大移動距離をDとすれ
ば、 D=e・sinθ である。図15に示すように、1次のクロストークが生
じている角度をθc とし、マイクロレンズアレイ2のピ
ッチをpm とすれば、1次のクロストークによる射出瞳
位置dは、幾何的関係より、 tanθc =d/R=pm /fm このdが瞳孔最大移動距離Dより大きければ、不要光で
あるクロストーク光は観察者の目に入らない。したがっ
て、そのようなピッチの制限条件は以下の式になる。表
示デバイス3のサイズをLとする。
As shown in FIG. 15, this 1
If the distance to the pupil by the next crosstalk light is sufficiently large compared to the pupil diameter, the crosstalk light flux, which is unnecessary light, does not enter the eyes, so that a favorable observation state can be provided. As shown in FIG. 7, the half angle of view of the display angle of view is θ, the distance from the center of rotation of the eyeball E to the pupil is e, and the observer looks at the center from the center of the pupil when viewing the outermost periphery of the image. Assuming that the distance to the center of the pupil when the pupil is present, that is, the maximum pupil movement distance, is D, then D = e · sin θ. As shown in FIG. 15, the angle at which the first-order crosstalk occurs and theta c, if the pitch of the microlens array 2 and p m, the exit pupil position d by the primary crosstalk, geometric relationships more, if tanθ c = d / R = p m / f m the d is greater than the pupil maximum movement distance D, the crosstalk light is unnecessary light does not enter the eyes of the observer. Therefore, such a limiting condition of the pitch is given by the following equation. The size of the display device 3 is L.

【0053】pm >fm D/R R+fm =L/(2tanθ) ∴pm >2efm sinθtanθ/(L−2fm ta
nθ) このようなピッチ構成にすることによって、不要光であ
るクロストーク光束は目に入らないので、良好な観察状
態を提供できる。
P m > f m D / R R + f m = L / (2 tan θ) ∴p m > 2 ef m sin θ tan θ / (L−2 f m ta
nθ) With such a pitch configuration, a crosstalk light beam, which is unnecessary light, does not enter the eyes, so that a favorable observation state can be provided.

【0054】実際の数値をあげ、モノクロEL(エレク
トロルミネッセント)ディスプレイを用いた表示装置の
例を示す。ELディスプレイは全固体であるので、振動
に強い、低消費電力、薄型、軽量なディスプレイなた
め、HMDのような使用形態には非常にマッチした自家
発光型のディスプレイである。
An example of a display device using a monochrome EL (electroluminescent) display will be shown by giving actual numerical values. Since the EL display is an all-solid display, it is a self-luminous display that is highly suitable for use such as an HMD because it is resistant to vibration, has low power consumption, is thin, and is lightweight.

【0055】観察者の瞳孔の位置を検出する瞳孔位置検
出部4に、例えば強膜反射法を用いる。強膜反射法は、
観察者の眼球Eに赤外光を照射すると共に、その反射光
を受光素子によって受光し、反射光の強度を電流に変換
すると言った黒目と白目の反射率の違いを利用して視線
の方向を検出する方法である。光源として赤外線発光ダ
イオード等を用い、受光素子としてCCD等のエリアセ
ンサでセンシングし、黒目部分の信号を検出するため、
ローパスフィルタや2値化回路、さらにゲイン回路等が
組み合わされたものを用いる。構成が簡易であるのが利
点である。
The pupil position detector 4 for detecting the position of the pupil of the observer uses, for example, the scleral reflection method. The scleral reflection method
The direction of the line of sight is obtained by irradiating the observer's eyeball E with infrared light, receiving the reflected light by a light receiving element, and converting the intensity of the reflected light into current to reflect the difference between the black eye and white eye reflectance. Is a method for detecting In order to detect the signal of the iris part by using an infrared light emitting diode etc. as a light source and sensing with an area sensor such as a CCD as a light receiving element,
A combination of a low-pass filter, a binarization circuit, a gain circuit, and the like is used. An advantage is that the configuration is simple.

【0056】観察者瞳孔までのアイリリーフは約30m
mとすれば、水平表示画角が約30°となる。素子サイ
ズを16mm×12mmとし、表示デバイス3の画素ピ
ッチ(水平、垂直共に30μm)と略同じピッチ(2
9.7μm)、同じ配列で、焦点距離0.3mmのマイ
クロレンズアレイ2にエレメントレンズを配列してあ
る。ちなみに、クロストーク光による瞳が目に入らない
ピッチの制限条件は、観察者眼球回旋中心から瞳孔まで
を9mmとすれば、23μm以上である。マイクロレン
ズアレイ2は表示デバイス3から焦点距離0.3mm離
して配される。画素数は533×400の総画素数21
3,200となり、非常に高精細なモノクロ映像を提示
することができる。
The eye relief up to the observer's pupil is about 30 m
If m, the horizontal display angle of view is about 30 °. The element size is 16 mm × 12 mm, and the pixel pitch (2 μm for both the horizontal and vertical directions) of the display device 3 is approximately the same (2 μm).
9.7 μm), and the element lenses are arranged in the microlens array 2 having the same arrangement and a focal length of 0.3 mm. Incidentally, the limit condition of the pitch at which the pupil cannot enter the eyes due to the crosstalk light is 23 μm or more if the distance from the center of rotation of the observer's eyeball to the pupil is 9 mm. The micro lens array 2 is arranged at a focal distance of 0.3 mm from the display device 3. The number of pixels is 533 × 400 and the total number of pixels is 21
3,200, which makes it possible to present a very high-definition monochrome image.

【0057】この表示系において、瞳孔が最大に動くと
きは、紙面(図12)上の水平方向では半画角である±
15°を見たときで、9×sin15°=2.33mm
である。この系のマイクロレンズアレイ2を動かすこと
によって瞳孔の動きに追尾させるには、瞳孔移動量とマ
イクロレンズアレイ2の可動量の関係式から、マイクロ
レンズアレイ2を最大で97μmシフトさせればよい。
In this display system, when the pupil moves at the maximum, the angle of view which is a half angle of view in the horizontal direction on the paper (FIG. 12) is ±.
When looking at 15 °, 9 × sin15 ° = 2.33 mm
It is. In order to track the movement of the pupil by moving the microlens array 2 of this system, the microlens array 2 may be shifted up to 97 μm from the relational expression of the pupil movement amount and the movable amount of the microlens array 2.

【0058】図16は、アスペクト比4:3の水平画角
30°の映像を見たときに、瞳孔が動く範囲を示してい
る。斜線の円が瞳孔である。図16では、中央の円が画
面中央を見ている状態での瞳孔であり、右上、右下、左
上、左下の円が、それぞれ映像画面最右上、最右下、最
左上、最左下を見たときの瞳孔位置を示す。この瞳孔移
動範囲の中で瞳孔の位置に応じて図中に示す9つの小円
位置に射出瞳をシフトできれば、映像をケラれることな
く観察することかできる。小さな丸が射出瞳位置を示
す。9つの場所を図16のように0から8とする。(水
平方向の角度,垂直方向の角度)とすれば、点0は(0
°,0°)の映像を見たときの瞳孔の中心位置を示し、
以下1から8までの点は、(−6°,4.5°)、(0
°,9°)、(6°,4.5°)、(−9°,0°)、
(9°,0°)、(−6°,−4.5°)、(0°,9
°)、(6°,−4.5°)を示す。瞳孔位置の状態に
よって、これらの0から8の何れか適した位置に射出瞳
を移動させる。水平方向の角度をx、垂直方向の角度を
yとして、図13に示した制御系により、検出された瞳
孔位置から射出瞳をその位置に適した位置に移動させれ
ばよい。
FIG. 16 shows the range in which the pupil moves when viewing an image having a horizontal angle of view of 30 ° with an aspect ratio of 4: 3. The hatched circle is the pupil. In FIG. 16, the center circle is the pupil when viewing the center of the screen, and the upper right, lower right, upper left, and lower left circles represent the upper right, lower right, upper left, and lower left, respectively, of the video screen. Shows the pupil position when the pupil is turned on. If the exit pupil can be shifted to nine small circle positions shown in the figure according to the position of the pupil within the pupil movement range, the image can be observed without vignetting. A small circle indicates the exit pupil position. Nine places are defined as 0 to 8 as shown in FIG. (Angle in the horizontal direction, angle in the vertical direction), the point 0 is (0
°, 0 °) shows the center position of the pupil when viewing the image,
Points from 1 to 8 below are (-6 °, 4.5 °), (0
°, 9 °), (6 °, 4.5 °), (-9 °, 0 °),
(9 °, 0 °), (−6 °, -4.5 °), (0 °, 9
°) and (6 °, -4.5 °). Depending on the state of the pupil position, the exit pupil is moved to any suitable position from 0 to 8. Assuming that the angle in the horizontal direction is x and the angle in the vertical direction is y, the exit pupil may be moved from the detected pupil position to a position suitable for that position by the control system shown in FIG.

【0059】この場合、マイクロレンズアレイ2を可動
させる手段としては、最大ストローク量が100μm程
度カバーできるものであればよく、ソレノイド、トルク
の小さな超小型のステップモータ、ピエゾ圧電素子と、
必要に応じて用いられる弾性部材との組み合わせ等、状
況に応じて最適な物を用いて可動させればよい。水平、
垂直各3ポイントなので、送り機構に精密なボールネジ
を用い、デジタル制御のサーボモータを用いてリレー式
にしてやれば、レスポンス良く可動できる。
In this case, the means for moving the microlens array 2 may be any as long as it can cover the maximum stroke amount of about 100 μm, and includes a solenoid, a very small step motor having a small torque, a piezoelectric element, and
What is necessary is just to move using an optimal thing according to a situation, such as a combination with an elastic member used as needed. Horizontal,
Since there are three vertical points each, using a precision ball screw for the feed mechanism and a relay type using a digitally controlled servomotor will allow for a highly responsive operation.

【0060】表示デバイス3の厚みを3mm、マイクロ
レンズアレイ2の厚みを1mmとした場合、本実施例の
表示系は、光軸方向の厚みは、約4mm前後と非常に薄
型であるので、表示装置としてのHMDも非常に薄型な
メガネ型が可能になる。
When the thickness of the display device 3 is 3 mm and the thickness of the microlens array 2 is 1 mm, the display system of this embodiment has a very thin thickness of about 4 mm in the optical axis direction. The HMD as a device can also be a very thin glasses type.

【0061】〔実施例3〕図17を参照しながら本発明
の実施例3を説明する。本実施例の概略構成は、図17
の右側から順に、瞳孔、水晶体、網膜等から構成される
観察者の眼球E、フィールドレンズ1、その後方に射出
瞳側マイクロレンズアレイ(以下、射出瞳側MLA)2
1、その後方に映像を表示する映像表示手段として例え
ばLCD(液晶表示装置)のような透過型の表示デバイ
ス3、このデバイス3の各画素に照明光を集光する照明
側マイクロレンズアレイ(以下、照明側MLA)22、
平行な照明光を供給する面状光源とNAを制限する手段
とが一体となった板状の平行照明部14が配置され、さ
らに、観察者の瞳孔の位置を検出する瞳孔位置検出部
4、この検出結果に基づいて射出瞳側MLA21の移動
量を演算、制御する演算制御部5、射出瞳側MLA21
を2軸で移動させる駆動部6が設けられている。眼球E
は瞳孔がフィールドレンズ1の略焦点距離離れたところ
に位置するように配される。
Third Embodiment A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The schematic configuration of this embodiment is shown in FIG.
In order from the right side of the figure, an observer's eyeball E composed of a pupil, a crystalline lens, a retina, and the like, a field lens 1, and an exit pupil side micro lens array (hereinafter, exit pupil side MLA) 2 behind it.
1. A transmissive display device 3 such as an LCD (Liquid Crystal Display) as an image display means for displaying an image behind it, and an illumination-side microlens array (hereinafter, referred to as an LCD) that condenses illumination light on each pixel of the device 3. , Illumination side MLA) 22,
A plate-shaped parallel illumination unit 14 in which a planar light source that supplies parallel illumination light and a unit that limits NA are arranged, and a pupil position detection unit 4 that detects the position of a pupil of an observer, A calculation control unit 5 that calculates and controls the movement amount of the exit pupil side MLA 21 based on the detection result,
There is provided a driving unit 6 for moving the two axes. Eyeball E
Are arranged such that the pupil is located at a position substantially apart from the focal length of the field lens 1.

【0062】図示されていない表示デバイス3の制御手
段によって映像を表示するが、このとき、観察者の瞳孔
位置を検出する瞳孔位置検出部4による瞳孔位置情報を
もとに、観察者の瞳孔の動きに射出瞳が追尾するよう
に、射出瞳側MLA21を駆動部6にてシフトさせるこ
とによって、常時良好な観察状態を提供することができ
る。
An image is displayed by control means of the display device 3 (not shown). At this time, the pupil position of the observer is detected based on the pupil position information by the pupil position detector 4 for detecting the pupil position of the observer. By shifting the exit pupil side MLA 21 by the drive unit 6 so that the exit pupil tracks the movement, a favorable observation state can be always provided.

【0063】射出瞳側MLA21を移動させることによ
って観察光学系の射出瞳を移動させる原理は、実施例1
で説明したことがそのまま適用できる。映像表示デバイ
ス3の各画素と射出瞳側MLA21の各レンズの主平面
との距離を略射出瞳側MLA21の焦点距離とし、射出
瞳側MLA21の焦点距離、フィールドレンズ1の焦点
距離をそれぞれfm 、fo とする。射出瞳側MLA21
をSシフトさせたとき、この光学系の射出瞳の移動量を
Dは、 S≒fm D/fo である。よって、射出瞳側MLA21のシフト量と射出
瞳の移動量との関係は、射出瞳側MLA21とフィール
ドレンズ1との焦点距離の比が大きければ、射出瞳側M
LA12のシフト量が小さくても、射出瞳位置を大きく
移動させることができる。
The principle of moving the exit pupil of the observation optical system by moving the exit pupil side MLA 21 is described in the first embodiment.
What has been described in the above can be applied as it is. The distance between the main plane of the lens exit pupil side MLA21 and each pixel of the image display device 3 and the focal length of approximately the exit pupil side MLA21, the focal length of the exit pupil side MLA21, the focal length of the field lens 1 respectively f m , F o . Exit pupil side MLA21
When was allowed to S shift, the amount of movement of the exit pupil of the optical system D is S ≒ f m D / f o . Therefore, the relationship between the shift amount of the exit pupil side MLA 21 and the movement amount of the exit pupil is that if the ratio of the focal length between the exit pupil side MLA 21 and the field lens 1 is large,
Even if the shift amount of the LA 12 is small, the position of the exit pupil can be largely moved.

【0064】本実施例では、透過型の表示デバイス3を
用いるため、照明系が構成として含まれる。照明系は、
前述した平行光を供給する平行照明部14からの光を、
光量効率を上げた明るい映像にするため、やはり画素に
対応した照明側MLA22にて各画素に集光する構成で
ある。その際、表示デバイス3の各画素と照明側MLA
22の主平面との距離は、照明側MLA22の焦点距離
に等しい値である。
In this embodiment, since the transmission type display device 3 is used, an illumination system is included as a configuration. The lighting system
The light from the parallel illumination unit 14 that supplies the parallel light described above is
In order to obtain a bright image with increased light amount efficiency, the light is condensed on each pixel by the illumination side MLA 22 corresponding to the pixel. At this time, each pixel of the display device 3 and the illumination side MLA
22 has a value equal to the focal length of the illumination side MLA 22.

【0065】以上は、射出瞳側MLA21を移動させる
ことによって光学系の射出瞳を移動させる方法である
が、図18のように、射出瞳側MLA21は移動させず
に、映像表示デバイス3を移動させても射出瞳を移動さ
せることができる。
The above is a method of moving the exit pupil of the optical system by moving the exit pupil side MLA 21. As shown in FIG. 18, the video display device 3 is moved without moving the exit pupil side MLA 21. The exit pupil can be moved.

【0066】ここにおいても、実施例1で行った説明が
適用できる。映像表示デバイス3の各画素と射出瞳側M
LA21の各レンズの主平面との距離を略射出瞳側ML
A21の焦点距離とし、射出瞳側MLA21の焦点距
離、フィールドレンズ1の焦点距離をそれぞれfm 、f
o とする。映像表示デバイス3をSシフトさせたとき、
この光学系の射出瞳の移動量をDは、 S≒fm D/fo の関係が導かれる。
Here, the description given in the first embodiment can be applied. Each pixel of the image display device 3 and the exit pupil side M
The distance between the main plane of each lens of LA21 and the exit pupil side ML
The focal length of the exit pupil side MLA 21 and the focal length of the field lens 1 are f m and f m , respectively.
o . When the image display device 3 is shifted S,
The moving amount of the exit pupil of the optical system D, the relationship of S ≒ f m D / f o is derived.

【0067】前述した射出瞳側MLA21を移動させる
ケースでは照明系を特に移動させることはなかったが、
表示デバイス3を移動させるケースでは、表示デバイス
3が移動することによって照明側MLA22による集光
ポイントが画素から外れてしまうと画素を照明できず、
映像が暗くなってしまうので、表示デバイス3と連動さ
せて照明側MLA22も移動させる必要がある。すなわ
ち、表示デバイス3の画素に常に照明側MLA22の集
光ポイントが一致するように、表示デバイス3と照明側
MLA22を一体で移動させるような可動部6にする。
In the case where the exit pupil side MLA 21 is moved, the illumination system is not particularly moved.
In the case where the display device 3 is moved, the pixel cannot be illuminated if the light-collecting point by the illumination side MLA 22 deviates from the pixel due to the movement of the display device 3,
Since the image becomes dark, it is necessary to move the illumination side MLA 22 in conjunction with the display device 3. That is, the movable unit 6 is configured to move the display device 3 and the illumination-side MLA 22 integrally so that the light-collecting point of the illumination-side MLA 22 always coincides with the pixel of the display device 3.

【0068】次に、射出瞳側MLA21、照明側MLA
22の両マイクロレンズアレイの各レンズは映像表示デ
バイス3の各画素に対応しているが、このマイクロレン
ズアレイのピッチ、すなわち、映像表示デバイス3の各
画素ピッチ、及び、マイクロレンズアレイ21、22の
焦点距離について説明を行う。
Next, the exit pupil side MLA 21 and the illumination side MLA
Each lens of the two microlens arrays 22 corresponds to each pixel of the video display device 3, but the pitch of this microlens array, that is, each pixel pitch of the video display device 3, and the microlens arrays 21, 22 Will be described.

【0069】実施例1、2でも言及したように、クロス
トーク現象に対する対策としては、射出瞳側MLA21
のピッチ、すなわち、画素ピッチの構成を1次のクロス
トーク光による瞳が観察者瞳孔に入らないように構成す
ることで対応できる。
As mentioned in the first and second embodiments, as a countermeasure against the crosstalk phenomenon, the MLA 21 on the exit pupil side is used.
, Ie, the pixel pitch, can be dealt with by configuring the pupil by the primary crosstalk light so as not to enter the observer pupil.

【0070】本実施例では、画素での射出光分布を決定
するのは照明側MLA22のNAである。照明側MLA
22の主平面と各画素との間隔は照明側MLA22の焦
点距離に等しいが、射出瞳側MLA21の主平面と各画
素との間隔は、厳密に言えば射出瞳側MLA21の焦点
距離に等しくない。しかし、フィールドレンズ1の焦点
距離が射出瞳側MLA21の焦点距離よりも十分大き
く、射出瞳側MLA21とフィールドレンズ1との距離
が十分に小さければ、射出瞳側MLA21と各画素との
間隔は略射出瞳側MLA21の焦点距離に等しい。した
がって、照明側MLA22と射出瞳側MLA21が同じ
仕様のものであった場合、映像表示デバイス3又は射出
瞳側MLA21を移動させることによって、表示デバイ
ス3と射出瞳側MLA21との相対関係が図19のよう
になり、画素13から射出する光の中、正規の射出瞳を
形成する光量が落ちてしまう。この瞳孔を追尾させるた
めに射出瞳側MLA21若しくは表示デバイス3を移動
させたときの光量落ちを防ぐため、照明側MLA22の
NAを射出瞳側MLA21のNAよりも大きくする。こ
のとき、両者のレンズピッチは等しいため、屈折率の高
い材質を用いたり、レンズのR(曲率半径)を変えた
り、屈折率分布型等を使用し、照明側MLA22のNA
を射出瞳側MLA21のNAより大きくし、図20に示
すように、射出瞳側MLA21の微小レンズ1.5個か
ら2個分程度照射するようにした状態で、クロストーク
光が瞳孔内に入らないようにするのが望ましい。
In this embodiment, it is the NA of the illumination side MLA 22 that determines the emission light distribution at the pixel. Lighting side MLA
The distance between the main plane of the MLA 22 and each pixel is equal to the focal length of the MLA 22 on the illumination side, but the distance between the main plane of the MLA 21 on the exit pupil side and each pixel is not exactly equal to the focal length of the MLA 21 on the exit pupil side. . However, if the focal length of the field lens 1 is sufficiently longer than the focal length of the exit pupil side MLA 21 and the distance between the exit pupil side MLA 21 and the field lens 1 is sufficiently small, the distance between the exit pupil side MLA 21 and each pixel is substantially equal. It is equal to the focal length of the MLA 21 on the exit pupil side. Therefore, when the illumination side MLA 22 and the exit pupil side MLA 21 have the same specifications, the relative relationship between the display device 3 and the exit pupil side MLA 21 is changed by moving the video display device 3 or the exit pupil side MLA 21 as shown in FIG. Thus, the amount of light that forms the normal exit pupil in the light emitted from the pixel 13 is reduced. The NA of the illumination side MLA 22 is set to be larger than the NA of the exit pupil side MLA 21 in order to prevent the light amount from dropping when the exit pupil side MLA 21 or the display device 3 is moved to track the pupil. At this time, since the lens pitches of the two are equal, a material having a high refractive index is used, the R (curvature radius) of the lens is changed, a refractive index distribution type is used, and the NA of the illumination side MLA 22 is changed.
20 is larger than the NA of the exit pupil side MLA 21, and as shown in FIG. 20, the crosstalk light enters the pupil in a state where about 1.5 to two microlenses of the exit pupil side MLA 21 are irradiated. It is desirable not to do so.

【0071】以上のように、透過型の映像表示デバイス
3でも観察者瞳孔位置に射出瞳を追尾させることができ
るが、照明側MLA22のNAを射出瞳側MLA21の
NAよりも大きくし、さらに、1次のクロストーク光に
よる瞳が観察者瞳孔に入らないようなピッチ構成にする
ことによって良好な映像を表示することができる。
As described above, the exit pupil can be tracked at the observer's pupil position even with the transmission type image display device 3, but the NA of the illumination side MLA22 is made larger than the NA of the exit pupil side MLA21. By setting the pitch so that the pupil due to the primary crosstalk light does not enter the observer's pupil, a good image can be displayed.

【0072】LCDを用いたHMDの例を示す。LCD
は、比較的安価で低消費電力、薄型、軽量なディスプレ
イなためフラット型パネルディスプレイの主役となって
おり、HMDにおいても非常によく用いられている代表
的ディスプレイである。
An example of an HMD using an LCD will be described. LCD
Is a mainstay of flat panel displays because it is relatively inexpensive, has low power consumption, is thin and lightweight, and is a representative display that is very often used in HMDs.

【0073】光学系の射出瞳までのアイリリーフは約2
3mmとし、水平表示画角を約60°とする。素子サイ
ズを対角1.3インチの26.4mm×19.8mmと
し、表示デバイス3の画素ピッチを水平、垂直共に15
9μmとする。同じピッチ、同じ配列で、焦点距離0.
8mmのエレメントレンズが配列してある射出瞳側マイ
クロレンズアレイ21をLCDの画素から約1mm離し
て配する。そのすぐ観察者側に焦点距離約23mmのフ
ィールドレンズ1が配され、射出瞳までのアイリリーフ
が約23mmとする。ちなみに、クロストーク光による
瞳が目に入らないマイクロレンズアレイ又は画素のピッ
チの制限条件は、観察者眼球回旋中心から瞳孔までを9
mmすれば、上記の条件式から156μm以上である。
画素数は166×125の総画素数20,750であ
る。
The eye relief up to the exit pupil of the optical system is about 2
3 mm, and the horizontal display angle of view is about 60 °. The element size is 1.3 inches diagonally 26.4 mm × 19.8 mm, and the pixel pitch of the display device 3 is 15
9 μm. With the same pitch and the same arrangement, the focal length is 0.
The exit pupil-side microlens array 21 in which 8 mm element lenses are arranged is arranged at a distance of about 1 mm from the pixels of the LCD. Immediately thereafter, the field lens 1 having a focal length of about 23 mm is arranged on the observer side, and the eye relief up to the exit pupil is about 23 mm. Incidentally, the limiting condition of the pitch of the microlens array or the pixel where the pupil due to the crosstalk light does not enter the eye is 9 points from the center of rotation of the eyeball of the observer to the pupil.
mm, it is 156 μm or more from the above conditional expression.
The number of pixels is 166 × 125, and the total number of pixels is 20,750.

【0074】ここで、水平方向においてRGB(赤色、
緑色、青色)3ピクセルを1ドットとして1つのマイク
ロレンズに対応させるため、図21(b)の斜視図に示
すようなマイクロプリズムアレイ15を射出瞳側MLA
21と組み合わせる。水平方向の光路としては図21
(a)のようになり、RGB3ピクセルを1つのマイク
ロプリズム、1つのマイクロレンズに対応させる。マイ
クロプリズムアレイ15の面の向きは、図21(a)で
は平面側をマイクロレンズ21側に、プリズム面を観察
者側に向けてあるが、その逆でも構わない。
Here, RGB (red,
In order to make three pixels (green, blue) correspond to one microlens as one dot, a microprism array 15 as shown in a perspective view of FIG.
Combine with 21. FIG. 21 shows the horizontal optical path.
As shown in (a), three RGB pixels correspond to one microprism and one microlens. As for the orientation of the surface of the microprism array 15, the plane side faces the microlens 21 side and the prism surface faces the observer side in FIG. 21A, but the reverse is also possible.

【0075】これによって、マイクロレンズアレイ21
のレンズピッチはRGBピクセルのピッチに合わせなく
てよく、画素ピッチよりも比較的大きいので、レンズの
製造精度が良くなる。これにより、RGBの総画素数は
20,750×3=62,250になる。
Thus, the micro lens array 21
The lens pitch does not need to match the pitch of the RGB pixels, and is relatively larger than the pixel pitch, so that the lens manufacturing accuracy is improved. As a result, the total number of RGB pixels becomes 20,750 × 3 = 62,250.

【0076】LCDを照明する照明系として、LCDの
背面光源として用いられる面状のバックライトにNAを
制限する手段を配したものを平行光供給源として、この
平行光をLCDの画素配列と同じ配列、同じピッチでエ
レメントレンズが構成されている照明側マイクロレンズ
アレイ22でLCD画素に集光する構成のものを用い
る。LCDの各画素と照明側マイクロレンズアレイ22
の間隔は、照明側マイクロレンズアレイ22の焦点距離
0.5mmの長さである。
As an illumination system for illuminating the LCD, a plane backlight used as a rear light source of the LCD and a means for limiting NA is used as a parallel light supply source. An illumination-side microlens array 22 in which element lenses are arranged at the same pitch and condensed on LCD pixels is used. LCD pixel and illumination side micro lens array 22
Is the length of the focal length of the illumination-side microlens array 22 of 0.5 mm.

【0077】この表示系を内蔵したHMDに取り付けら
れている瞳孔位置検出部4にて瞳孔位置を検出し、検出
された位置情報に従ってLCDを駆動部6によって駆動
することによって射出瞳を移動し、瞳孔に追尾させる
(図18)。
The pupil position is detected by a pupil position detection unit 4 attached to the HMD having this display system, and the LCD is driven by the drive unit 6 in accordance with the detected position information to move the exit pupil. The pupil is tracked (FIG. 18).

【0078】この表示系において、瞳孔が最大に動くと
きは、水平方向では半画角である±30°を見たときで
9×sin30°=4.5mmである。垂直方向も含め
たアスペクト比4:3の画面を見たときの瞳孔の移動範
囲を瞳孔径を4mmとして図22に示す。図中、斜線の
円が瞳孔であり、小さな丸が射出瞳である。図では、中
央の円が画面中央を見ている状態での瞳孔であり、右
上、右下、左上、左下の円がそれぞれ映像画面最右上、
最右下、最左上、最左下を見たときの瞳孔位置を示す。
In this display system, when the pupil moves to the maximum, 9 × sin 30 ° = 4.5 mm when viewing ± 30 ° which is a half angle of view in the horizontal direction. FIG. 22 shows the pupil movement range when the pupil diameter is 4 mm when viewing a screen having an aspect ratio of 4: 3 including the vertical direction. In the figure, a hatched circle is a pupil, and a small circle is an exit pupil. In the figure, the center circle is the pupil when looking at the center of the screen, and the upper right, lower right, upper left, and lower left circles are the upper right of the video screen,
It shows the pupil position when looking at the lower right, upper left, and lower left.

【0079】この瞳孔の移動範囲をカバーするために、
この範囲を23領域に分割し、この23領域それぞれに
射出瞳の移動先を配して、瞳孔中心がどの領域にあるか
を検出し、その領域の中の図中の小丸で示されているよ
うな予め決められた位置に射出瞳を移動させることによ
って、瞳孔を追尾する。したがって、要求される瞳孔位
置検出精度としては、分解能2mm前後を要し、それに
よって23領域中どの領域に瞳孔中心があるかを判別で
きる。その検出された領域に応じて、図中に示す小円位
置に射出瞳をシフトできれば、映像をケラれることなく
観察することができる。
To cover this pupil movement range,
This range is divided into 23 regions, the destination of the exit pupil is arranged in each of the 23 regions, and the region where the pupil center is located is detected, and is indicated by a small circle in the figure in that region. The pupil is tracked by moving the exit pupil to such a predetermined position. Therefore, the required pupil position detection accuracy requires a resolution of about 2 mm, whereby it is possible to determine which of the 23 regions has the pupil center. If the exit pupil can be shifted to the small circle position shown in the figure according to the detected area, the image can be observed without vignetting.

【0080】この系のLCDを動かすことによって瞳孔
の動きに追尾させるには、上記の瞳孔移動量とLCD駆
動量の関係式から、LCDを最大で196μmシフトで
きればよい。さらに、LCDと共に照明側マイクロレン
ズアレイ22も同じだけ移動させなければ映像が暗くな
ってしまうので、照明側マイクロレンズアレイ22と表
示デバイス3とは照明側マイクロレンズアレイ22の焦
点距離分のスペーサーを間に挟んで一体化したユニット
として、照明側マイクロレンズアレイ22と表示デバイ
ス3を一体で移動させる(図18)。駆動機構として
は、小型軽量な微小モータを用いる。最大ストローク量
としては射出瞳を最大移動量だけ移動させる量だけあれ
ばよい。移動のポイントが水平方向9ポイント、垂直方
向7ポイントあるので、電流値により段階的に動かすよ
うな構成にする。
In order to track the movement of the pupil by moving the LCD of this system, it is sufficient that the LCD can be shifted by a maximum of 196 μm from the relational expression between the pupil movement amount and the LCD drive amount. Furthermore, if the illumination-side microlens array 22 is not moved by the same amount as the LCD, the image will be dark. Therefore, the illumination-side microlens array 22 and the display device 3 will have a spacer corresponding to the focal length of the illumination-side microlens array 22. The illumination-side microlens array 22 and the display device 3 are integrally moved as a unit integrated with each other (FIG. 18). A small and light micro motor is used as the driving mechanism. The maximum stroke amount may be an amount by which the exit pupil is moved by the maximum movement amount. Since there are nine moving points in the horizontal direction and seven points in the vertical direction, it is configured to move stepwise according to the current value.

【0081】照明側マイクロレンズアレイ22は、前述
したように表示デバイス3の移動に伴う光量落ちを防ぐ
ため、射出瞳側マイクロレンズアレイ21と同ピッチな
がら、屈折率を大きくすることによってNAを大きくし
てある。照明側マイクロレンズアレイ22には屈折率分
布型のマイクロレンズを用いており、焦点距離が射出瞳
側マイクロレンズアレイ21の2/1であり、NAが2
倍である。これにより、画素からの射出光は射出瞳側マ
イクロレンズアレイ21において正規のレンズとその両
隣のレンズの半分程度にかかる状態になり、LCDの移
動に伴う光量落ちは防げる。
The illumination-side microlens array 22 increases the NA by increasing the refractive index while maintaining the same pitch as the exit pupil-side microlens array 21 in order to prevent the light amount from dropping due to the movement of the display device 3 as described above. I have. The illumination side microlens array 22 uses a refractive index distribution type microlens, the focal length is 2/1 of the exit pupil side microlens array 21, and the NA is 2
It is twice. As a result, the light emitted from the pixel is applied to the exit lens on the exit pupil side microlens array 21 about half of the regular lens and the lens on both sides of the regular lens, and it is possible to prevent the light quantity from dropping due to the movement of the LCD.

【0082】本実施例では、映像表示手段として透過型
のLCDの例を示したが、それ以外の透過型映像表示素
子に変更可能である。しかしながら、小型軽量、低消費
電力でカラー表示可能であるという点から、LCDを使
用することは好ましい。
In this embodiment, an example of a transmissive LCD has been described as the image display means, but it can be changed to another transmissive image display element. However, it is preferable to use an LCD because it can be displayed in color with small size, light weight and low power consumption.

【0083】本実施例の表示系における光軸方向のの厚
みは、フィールドレンズ1の厚みが屈折率1.5程度の
硝材の場合11mm程度であり、平行照明部14の厚さ
を8mmとし、表示デバイス3を3mm、両マイクロレ
ンズアレイ21、22の厚みを1mmとした場合、表示
デバイス3から観察光学系観察者側の最終面まで約24
mmと言った非常に薄型軽量な広画角なHMDを提供す
ることができる。
The thickness in the optical axis direction of the display system of this embodiment is about 11 mm when the thickness of the field lens 1 is a glass material having a refractive index of about 1.5, and the thickness of the parallel illumination section 14 is 8 mm. When the display device 3 is 3 mm and the thickness of both micro lens arrays 21 and 22 is 1 mm, about 24 mm is required from the display device 3 to the final surface on the observer side of the observation optical system.
It is possible to provide a very thin and lightweight HMD having a wide angle of view such as mm.

【0084】〔実施例4〕図23に本発明の実施例4の
概略構成図を示す。図23は、実施例3(図17)にお
けるフィールドレンズがない例である。映像表示手段と
してLCDのような透過型の表示デバイス3を用いる。
表示画角は実施例2において説明したように、射出瞳側
MLA21の焦点距離と表示デバイス3のサイズによ
る。図11に示すように、表示デバイス3のサイズを
L、画素ピッチをpd 、射出瞳側MLA21のレンズピ
ッチをpm 、また、射出瞳側MLA21の焦点距離をf
m とし、射出瞳側MLA21から射出瞳までの距離をR
とする。映像表示デバイス3と射出瞳側MLA21との
間隔は射出瞳側MLA21の焦点距離とすれば、各画素
13から発せられた光束は平行光束となり目Eに導光で
きる。表示半画角をθとすれば、 pm =Rpd /(R+fm ) ただし、 R+fm =L/(2tanθ) の関係が導かれる。
[Embodiment 4] FIG. 23 is a schematic structural view of Embodiment 4 of the present invention. FIG. 23 shows an example in which there is no field lens in the third embodiment (FIG. 17). A transmissive display device 3 such as an LCD is used as an image display means.
The display angle of view depends on the focal length of the exit pupil side MLA 21 and the size of the display device 3 as described in the second embodiment. As shown in FIG. 11, the size of the display device 3 is L, the pixel pitch is p d , the lens pitch of the exit pupil side MLA 21 is p m , and the focal length of the exit pupil side MLA 21 is f.
m, and the distance from the exit pupil side MLA 21 to the exit pupil is R
And If the distance between the image display device 3 and the exit pupil side MLA 21 is the focal length of the exit pupil side MLA 21, the light flux emitted from each pixel 13 becomes a parallel light flux and can be guided to the eye E. If the display half angle and θ, p m = Rp d / (R + f m) , however, the relationship between R + f m = L / ( 2tanθ) is derived.

【0085】また、本実施例においても、透過型の表示
デバイス3を用いるため、照明系として平行照明部14
からの光をやはり画素に対応した照明側MLA22にて
各画素に集光する構成となる。その際、表示デバイス3
の各画素と照明側MLA22の主平面との距離は照明側
MLA22の焦点距離に等しい値である。
Also in this embodiment, since the transmissive display device 3 is used, the parallel illumination section 14 is used as an illumination system.
Is collected on each pixel by the illumination side MLA 22 corresponding to the pixel. At that time, the display device 3
Is a value equal to the focal length of the illumination side MLA 22.

【0086】観察光学系の射出瞳を移動させるには、図
23に示すように、射出瞳側MLA21を所定量移動さ
せる。映像表示デバイス3の各画素と射出瞳側MLA2
1の各レンズの主平面との距離を射出瞳側MLA21の
焦点距離fm とする。射出瞳側MLA21をSシフトさ
せたとき、この光学系の射出瞳の移動量をDとすれば、 S=fm D/R=2fm Dtanθ/(L−2fm ta
nθ) の関係が導かれる。
In order to move the exit pupil of the observation optical system, as shown in FIG. 23, the exit pupil side MLA 21 is moved by a predetermined amount. Each pixel of the image display device 3 and the exit pupil side MLA2
1 of the distance between the main plane of the lens and the focal length f m of the exit pupil side MLA21. When the exit pupil side MLA21 was S shift, if the amount of movement of the exit pupil of the optical system D, S = f m D / R = 2f m Dtanθ / (L-2f m ta
nθ) is derived.

【0087】以上は、射出瞳側MLA21を移動させる
ことによって光学系の射出瞳を移動させるものである
が、射出瞳側MLA21は移動させずに、図24に示す
ように、表示デバイス3を移動させても射出瞳を移動さ
せることができる。
In the above description, the exit pupil of the optical system is moved by moving the exit pupil MLA 21, but the display device 3 is moved without moving the exit pupil MLA 21 as shown in FIG. The exit pupil can be moved.

【0088】映像表示デバイス3の各画素と射出瞳側M
LA21の各レンズの主平面との距離を射出瞳側MLA
21の焦点距離fm とする。表示デバイス3をSシフト
させたとき、この光学系の射出瞳の移動量をDとすれ
ば、 S=fm D/(R+fm )=2fm Dtanθ/L なる関係が導かれる。ただし、R≫fm である。
Each pixel of the image display device 3 and the exit pupil side M
The distance of each lens of LA21 from the principal plane is defined as the MLA on the exit pupil side.
The focal length f m of 21. When the display device 3 is S shift, if the amount of movement of the exit pupil of the optical system D, S = f m D / (R + f m) = 2f m Dtanθ / L the relationship is derived. However, it is R»f m.

【0089】このように表示デバイス3を移動させるケ
ースでは、照明側MLA22の集光ポイントを画素に一
致させるため、照明側MLA22も表示デバイス3と一
体で駆動するような構成にする。
In the case where the display device 3 is moved as described above, the illumination side MLA 22 is also driven integrally with the display device 3 in order to make the converging point of the illumination side MLA 22 coincide with the pixel.

【0090】本実施例における射出瞳側MLA21を動
かすことによって射出瞳を移動させる場合、又は、表示
デバイス3を動かすことによって射出瞳を移動させる場
合、何れの場合でも、実施例3において言及したよう
に、照明側MLA22のNAを射出瞳側MLA21のN
Aよりも大きくし、さらに、1次のクロストーク光によ
る瞳が観察者瞳孔に入らないようなピッチ構成にするこ
とは、良好な映像を表示する上で重要である。
In either case where the exit pupil is moved by moving the MLA 21 on the exit pupil side in this embodiment, or where the exit pupil is moved by moving the display device 3, as described in the third embodiment. In addition, the NA of the illumination side MLA22 is changed to the N of the exit pupil side MLA21.
It is important to display a good image by setting the pitch to be larger than A and to make the pitch configuration such that the pupil due to the primary crosstalk light does not enter the observer pupil.

【0091】次に、図25に示すように、LCDを表示
素子に用いた据え置き型のビューワー20の例を示す。
このビューワー20の覗き窓付近に、瞳孔位置検出セン
サ23として、観察者の目を撮像し、瞳孔の位置を検出
するための赤外線投光素子と、受光素子としてのCCD
が取り付けられている。撮影された観察者の目の映像か
ら画像処理にて瞳孔位置を検出する。検出に使用するコ
ンピュータは、ビューワー20の下の筺体に内蔵されて
いる。
Next, as shown in FIG. 25, an example of a stationary viewer 20 using an LCD as a display element will be described.
In the vicinity of the viewing window of the viewer 20, a pupil position detection sensor 23 captures an image of an observer's eye and detects an pupil position by an infrared light emitting element and a CCD as a light receiving element.
Is attached. The pupil position is detected by image processing from the captured image of the observer's eye. A computer used for detection is built in a housing below the viewer 20.

【0092】観察者瞳孔までのアイリリーフは約35m
mとし、水平表示画角を約80°とする。素子サイズを
対角3インチ、61mm×45.7mmとし、表示デバ
イス3の画素ピッチを水平、垂直共に160μmとす
る。同配列であるがピッチが155.6μmで構成され
た焦点距離1mmのエレメントレンズが配列された射出
瞳側マイクロレンズアレイ21をLCDから1mm離し
て配する。
The eye relief up to the observer's pupil is about 35 m
m, and the horizontal display angle of view is about 80 °. The element size is 3 inches diagonally, 61 mm × 45.7 mm, and the pixel pitch of the display device 3 is 160 μm both horizontally and vertically. An exit pupil-side microlens array 21 having the same array but having a pitch of 155.6 μm and having an element lens with a focal length of 1 mm is arranged at a distance of 1 mm from the LCD.

【0093】ちなみに、クロストーク光による瞳が目に
入らないレンズ又は画素のピッチの制限条件は、観察者
眼球回旋中心から瞳孔までを9mmとすれば、上記の条
件式から155μm以上である。画素数は381×28
5の総画素数108,585である。
By the way, the limiting condition of the pitch of the lens or the pixel where the pupil due to the crosstalk light does not enter the eye is 155 μm or more from the above-mentioned conditional expression if the distance from the center of rotation of the observer's eyeball to the pupil is 9 mm. The number of pixels is 381 × 28
5, the total number of pixels is 108,585.

【0094】LCDを照明する照明系として、ハロゲン
系の高輝度な光源からの光を光ファイバで導光し、光フ
ァイバ端から射出する光をコリメータレンズにて平行光
化し、この平行光を画素に集光するために照明側にLC
Dの画素と同配列、同ピッチのエレメントレンズを有す
るマイクロレンズアレイ22をこのレンズアレイ22の
焦点距離0.5mm分だけLCDから離して配した構成
にする。
As an illumination system for illuminating the LCD, light from a halogen-based high-intensity light source is guided by an optical fiber, and light emitted from the end of the optical fiber is collimated by a collimator lens. LC on the illumination side to collect light
A micro lens array 22 having element lenses having the same arrangement and the same pitch as the pixels of D is arranged apart from the LCD by a focal length of 0.5 mm of the lens array 22.

【0095】この照明系及び表示系、観察光学系がビュ
ーワー20に内蔵され、さらに、ビューワー20に取り
付けられている瞳孔位置検出センサ23により検出され
た位置情報をもとに射出瞳側マイクロレンズアレイ21
を移動させることによって射出瞳を観察者瞳孔に追尾さ
せ、常に良好な映像を提供することができる。
The illumination system, the display system, and the observation optical system are built in the viewer 20. Further, the microlens array on the exit pupil side based on the position information detected by the pupil position detection sensor 23 attached to the viewer 20. 21
, The exit pupil tracks the observer's pupil, and a good image can always be provided.

【0096】この表示系において、瞳孔が最大に動くと
きは、水平方向では半画角である±40°を見たとき
で、9×sin40°=5.8mmである。この系の射
出瞳側マイクロレンズアレイ21を動かすことによって
瞳孔の動きに追尾させるには、上述の瞳孔移動量とマイ
クロレンズアレイの駆動量の関係式から、射出瞳側マイ
クロレンズアレイ21を最大で159μmシフトできれ
ばよい。移動位置については、検出された瞳孔中心に常
に射出瞳が位置するようにリアルタイムで連続的に移動
するようにすると、常に明るい映像が観察できる。
In this display system, when the pupil moves to the maximum, 9 × sin 40 ° = 5.8 mm when viewing ± 40 ° which is a half angle of view in the horizontal direction. In order to track the movement of the pupil by moving the microlens array 21 on the exit pupil side of this system, the microlens array 21 on the exit pupil side can be moved up to a maximum from the above-mentioned relational expression between the pupil movement amount and the driving amount of the microlens array. What is necessary is just to be able to shift by 159 μm. If the moving position is continuously moved in real time so that the exit pupil is always located at the center of the detected pupil, a bright image can always be observed.

【0097】マイクロレンズアレイを駆動させるには、
ピエゾ素子等を用いたアクチュエータで印加する電圧に
より駆動量が可変にできるレスポンスの良いものを用い
る。また、照明側マイクロレンズアレイ22は視線追尾
した際の光量落ちを防ぐため、射出瞳側マイクロレンズ
アレイ21よりもNAが1.5〜2倍程度大きい性能を
有する。
To drive the micro lens array,
A device with a high response that can vary the amount of driving by a voltage applied by an actuator using a piezo element or the like is used. The illumination-side microlens array 22 has a performance in which the NA is 1.5 to 2 times larger than that of the exit pupil-side microlens array 21 in order to prevent a drop in the amount of light when tracking the line of sight.

【0098】本実施例のビューワーは、マイクロレンズ
アレイを観察光学系に用い、視線追尾をすることによっ
て可能となるLCDを用いた比較的小型で安価な広画角
映像表示装置である。
The viewer of this embodiment is a relatively small-sized and inexpensive wide-field-of-view image display device using an LCD, which is made possible by tracking a line of sight using a microlens array as an observation optical system.

【0099】〔実施例5〕図26を参照しながら本発明
の実施例5を説明する。本実施例の概略構成は、図26
の右側から順に、観察者の眼球E、フィールドレンズ
1、その後方に射出瞳側マイクロレンズアレイ(以下、
射出瞳側MLA)21、その後方に映像を表示する映像
表示手段として例えばLCDのような透過型の表示デバ
イス3、このデバイス3の各画素に照明光を集光する照
明側マイクロレンズアレイ(以下、照明側MLA)2
2、複数の点光源が配列された点光源アレイ16が配置
され、さらに、観察者の瞳孔の位置を検出する瞳孔位置
検出部4、この検出結果に基づいて射出瞳側MLA2
1、点光源アレイ16、照明側MLA22の移動量を演
算、制御する演算制御部5、射出瞳側MLA21、点光
源アレイ16、照明側MLA22を2軸で移動させる駆
動部6が設けられている。眼球Eは瞳孔がフィールドレ
ンズ1の略焦点距離離れたところに位置するように配さ
れる。
Fifth Embodiment A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The schematic structure of this embodiment is shown in FIG.
In order from the right side of the figure, the observer's eyeball E, the field lens 1, and the exit pupil side microlens array (hereinafter, referred to as
An exit pupil side MLA) 21, a transmissive display device 3 such as an LCD as an image display means for displaying an image behind the pupil side MLA), and an illumination side micro lens array (hereinafter, referred to as an LCD) for condensing illumination light on each pixel of the device , Illumination side MLA) 2
2. A point light source array 16 in which a plurality of point light sources are arranged is arranged, and further, a pupil position detector 4 for detecting the position of the pupil of the observer, based on the detection result, the exit pupil side MLA2.
1. An arithmetic control unit 5 for calculating and controlling the moving amount of the point light source array 16 and the illumination side MLA 22 and a drive unit 6 for moving the exit pupil side MLA 21, the point light source array 16, and the illumination side MLA 22 in two axes are provided. . The eyeball E is arranged so that the pupil is located at a position substantially apart from the focal length of the field lens 1.

【0100】図示されない表示デバイス3の制御手段に
よって映像を表示する際、映像が観察不能になることな
く常時良好な観察状態を提供するため、実施例1、3に
述べたように、瞳孔位置検出部4により検出された観察
者の瞳孔位置情報をもとに、観察者の瞳孔の動きに射出
瞳が追尾するように、射出瞳側MLA21を駆動部6の
マイクロレンズアレイ駆動部にてシフトさせる。
When an image is displayed by the control means of the display device 3 (not shown), a good observation state is always provided without the image becoming unobservable. The MLA 21 on the exit pupil side is shifted by the microlens array drive unit of the drive unit 6 based on the pupil position information of the observer detected by the unit 4 so that the exit pupil tracks the movement of the pupil of the observer. .

【0101】射出瞳側MLA21をSシフトさせたと
き、この光学系の射出瞳の移動量をD、映像表示デバイ
ス3の各画素と射出瞳側MLA21の各レンズの主平面
との距離を略射出瞳側MLA21の焦点距離とし、射出
瞳側MLA21の焦点距離、フィールドレンズ1の焦点
距離をそれぞれfm 、fo とすると、 S≒fm D/fo の関係がある。よって、射出瞳側MLA21のシフト量
と射出瞳の移動量との関係は、両者の焦点距離の比が大
きければ、射出瞳側MLA21のシフト量が小さくて
も、射出瞳位置を大きく移動させることができる。
When the exit pupil side MLA 21 is shifted by S, the movement amount of the exit pupil of this optical system is D, and the distance between each pixel of the video display device 3 and the principal plane of each lens of the exit pupil side MLA 21 is approximately the focal length of the pupil side MLA21, the focal length of the exit pupil side MLA21, f m the focal length of the field lens 1 respectively, when the f o, a relationship of S ≒ f m D / f o . Therefore, the relationship between the shift amount of the exit pupil side MLA21 and the movement amount of the exit pupil is that if the ratio of the focal lengths of both is large, the exit pupil position can be largely moved even if the shift amount of the exit pupil side MLA21 is small. Can be.

【0102】映像表示デバイス3として透過型の表示デ
バイスを用いるため、照明光源として複数の点光源が2
次元状に配列された点光源アレイ16を用いる。この点
光源アレイ21の各々の点光源は表示デバイス3の画素
に対応しており、各々の点光源から射出した光はやはり
その画素に対応した照明側MLA22にて各画素に集光
することによって、効率的に明るい映像を表示する。そ
の際、照明側MLA22に対して各々の点光源と各画素
は共役な位置に配される。
Since a transmissive display device is used as the image display device 3, a plurality of point light sources are used as illumination light sources.
A point light source array 16 arranged in a dimension is used. Each point light source of the point light source array 21 corresponds to a pixel of the display device 3, and light emitted from each point light source is also condensed on each pixel by the illumination side MLA 22 corresponding to the pixel. To display bright images efficiently. At this time, each point light source and each pixel are arranged at conjugate positions with respect to the illumination side MLA 22.

【0103】したがって、複数の点光源と画素が共役関
係であり、画素と網膜が共役な関係になる。瞳孔に追尾
させるため、射出瞳側MLA21を移動させる場合、照
明効率を上げクロストークによる不要光の発生を防ぐた
め、照明側MLA22、点光源アレイ16もそれに付随
してそれぞれ独立に移動させる。射出瞳側MLA21の
各微小レンズの物体側の主点とそれに対応した各画素の
中心との延長線上に照明側MLA22の対応する各微小
レンズの像側の主点、さらに各点光源が位置するよう
に、点光源アレイ16と照明側MLA22を駆動部6に
よって移動させる。
Accordingly, the plurality of point light sources and the pixels have a conjugate relationship, and the pixels and the retina have a conjugate relationship. When the exit pupil side MLA 21 is moved in order to track the pupil, the illumination side MLA 22 and the point light source array 16 are also independently and independently moved in order to increase illumination efficiency and prevent generation of unnecessary light due to crosstalk. On the extension of the object-side principal point of each micro lens of the exit pupil side MLA 21 and the center of each corresponding pixel, the image-side principal point of each corresponding micro lens of the illumination side MLA 22 and each point light source are located. As described above, the point light source array 16 and the illumination side MLA 22 are moved by the drive unit 6.

【0104】これによって、周辺を見た場合でも鮮明な
映像を観察することができる。以上は、射出瞳側MLA
21を移動させることによって瞳孔の動きに追従して光
学系の射出瞳を移動させる方法であるが、図27に示す
ように、射出瞳側MLA21は移動させずに、映像表示
デバイス3を移動させても射出瞳を移動させることがで
きる。
As a result, a clear image can be observed even when viewing the periphery. The above is the exit pupil side MLA
This is a method of moving the exit pupil of the optical system by following the movement of the pupil by moving the image pupil 21. As shown in FIG. 27, the image display device 3 is moved without moving the exit pupil side MLA 21. However, the exit pupil can be moved.

【0105】実施例1、3にて述べたように、映像表示
デバイス3の各画素と射出瞳側MLA21の各レンズの
主平面との距離を略射出瞳側MLA21の焦点距離と
し、射出瞳側MLA21の焦点距離、フィールドレンズ
1の焦点距離をそれぞれfm 、fo とした場合、映像表
示デバイス3をSシフトさせたとき、この光学系の射出
瞳の移動量Dは、 S≒fm D/fo の関係にある。
As described in the first and third embodiments, the distance between each pixel of the video display device 3 and the main plane of each lens of the exit pupil MLA 21 is substantially set as the focal length of the exit pupil MLA 21, focal length of MLA21, when the focal length of the field lens 1 f m, respectively, and f o, when the image display device 3 was S shift, the movement amount D of the exit pupil of the optical system, S ≒ f m D / are in a relationship of f o.

【0106】このケースにおいても、照明効率を上げク
ロストークによる不要光の発生を防ぐため、点光源アレ
イ16と照明側MLA22をそれぞれ独立に移動させ
る。そのとき、射出瞳側MLA21の各微小レンズの物
体側の主点とそれに対応した各画素の中心との延長線上
に、照明側MLA22の対応する各微小レンズの像側の
主点、さらに各点光源が位置するように、点光源アレイ
16と照明側MLA22を移動させる。
Also in this case, the point light source array 16 and the illumination side MLA 22 are independently moved to increase the illumination efficiency and prevent the generation of unnecessary light due to crosstalk. At this time, the image-side principal points of the corresponding microlenses on the illumination side MLA22 and the points on the extension of the object-side principal points of the microlenses on the exit pupil side MLA21 and the centers of the corresponding pixels on the object side. The point light source array 16 and the illumination side MLA 22 are moved so that the light source is located.

【0107】本実施例は、観察者瞳孔に追尾させるた
め、射出瞳側MLA21又は表示デバイス3を移動させ
るが、画素を照明する点光源アレイ16及び照明側ML
A22と言った照明系を射出瞳側MLA21又は表示デ
バイス3の移動に伴って移動させることによって、周辺
の光量落ちやクロストークによる映像劣化を生じさせる
ことなく、鮮明な映像を提供することができる例であ
る。
In the present embodiment, the exit pupil side MLA 21 or the display device 3 is moved in order to track the observer's pupil.
By moving the illumination system A22 along with the movement of the exit pupil side MLA 21 or the display device 3, it is possible to provide a clear image without causing a drop in peripheral light amount or image deterioration due to crosstalk. It is an example.

【0108】次に、本光学系を、図28(a)に観察者
に装着した状態を、同図(b)にその正面図を示すハン
ディタイプの単眼ビューワー24に用いた例を示す。映
像表示デバイス3として対角0.55インチのLCDを
用いる。射出瞳までのアイリリーフは約26mmとし、
水平表示画角を約24°とする。素子サイズが11.1
8mm×8.38mmで、表示デバイス3の画素ピッチ
を水平、垂直共に50μmとする。画素数は、224×
168ドットの総画素数37,632である。
Next, FIG. 28A shows an example in which the present optical system is attached to an observer, and FIG. 28B shows an example in which the optical system is used for a handy type monocular viewer 24 whose front view is shown. As the image display device 3, an LCD having a diagonal of 0.55 inches is used. The eye relief up to the exit pupil is about 26 mm,
The horizontal display angle of view is about 24 °. Element size is 11.1
It is 8 mm × 8.38 mm, and the pixel pitch of the display device 3 is 50 μm both horizontally and vertically. The number of pixels is 224 ×
The total number of pixels of 168 dots is 37,632.

【0109】このLCDの観察者側に、LCD各画素か
らの光を平行光化し導光するための射出瞳側マイクロレ
ンズアレイ21とフィールドレンズ1が配される。射出
瞳側マイクロレンズ21はLCDと同じピッチ、同じ配
列で、焦点距離0.7mmのエレメントレンズが配列さ
れている。この射出瞳側マイクロレンズアレイ21をそ
の主平面がLCDの画素から約0.7mm離れている状
態で配する。そのすぐ観察者側に焦点距離約26mmの
フィールドレンズ1が配され、射出瞳までのアイリリー
フが約26mmとなる。
An exit pupil-side microlens array 21 and a field lens 1 for collimating and guiding light from each pixel of the LCD are arranged on the viewer side of the LCD. The exit pupil-side microlenses 21 have the same pitch and the same arrangement as the LCD, and element lenses having a focal length of 0.7 mm are arranged. The microlens array 21 on the exit pupil side is arranged with its main plane being about 0.7 mm away from the pixels of the LCD. Immediately thereafter, the field lens 1 having a focal length of about 26 mm is arranged on the observer side, and the eye relief up to the exit pupil is about 26 mm.

【0110】LCDを以下のように照明する。LCDの
背面光源として用いられる透明部材の導光板のサイドに
冷陰極管が備えられた直管タイプのバックライトの導光
板に、擬似点光源として光の漏れ出し口を複数設けたも
のを用いる。この漏れ出し口がLCDの画素に対応して
2次元状に配列されている。この漏れ出し口を点光源と
し、各々の点光源を同じ配列、ピッチの照明側マイクロ
レンズアレイ22にて画素に集光、照明する。以上のよ
うなバックライト、照明側マイクロレンズアレイ22と
いう照明系の構成により、薄型な高効率照明が可能とな
る。
The LCD is illuminated as follows. A light guide plate of a straight tube type backlight in which a cold cathode tube is provided on the side of a light guide plate of a transparent member used as a back light source of an LCD is provided with a plurality of light leak ports as pseudo point light sources. The leak openings are two-dimensionally arranged corresponding to the pixels of the LCD. The leak port is used as a point light source, and each point light source is condensed and illuminated on the pixel by the illumination-side microlens array 22 having the same arrangement and pitch. The above-described configuration of the illumination system including the backlight and the illumination-side microlens array 22 enables thin and highly efficient illumination.

【0111】この表示系を内蔵した携帯型ビューワー2
4に取り付けられている瞳孔位置検出センサ23にて瞳
孔位置を検出し、検出された位置情報に従ってLCDを
LCD可動部によって可動することによって射出瞳を移
動し、瞳孔に追尾させる。この検出センサ23はリンバ
ストラッカーと言う手法で、観察者眼球近傍に投光素子
を挟んで受光素子を2つ配して、その受光素子のアナロ
グ信号の和が左右方向、差が上下方向の情報を有するの
で、その信号から瞳孔位置が検出できる仕組みである。
精度は高くないが、仕組みがシンプルなのとコストが低
いので、本実施例のような表示画角が狭くコストを抑え
た例に適している検出法である。
Portable viewer 2 incorporating this display system
The pupil position is detected by a pupil position detection sensor 23 attached to the LCD 4, and the LCD is moved by the LCD movable unit according to the detected position information to move the exit pupil and follow the pupil. The detection sensor 23 is a method called a limbus tracker, and two light receiving elements are arranged near a viewer's eyeball with a light emitting element interposed therebetween. The sum of the analog signals of the light receiving elements is information in the horizontal direction and the difference is information in the vertical direction. Therefore, the pupil position can be detected from the signal.
Although the accuracy is not high, since the mechanism is simple and the cost is low, this detection method is suitable for an example in which the display angle of view is narrow and the cost is suppressed as in the present embodiment.

【0112】この表示系において、瞳孔が最大に動くと
きは、水平方向では半画角である±12°を見たとき
で、9×sin12°=1.87mmである。この表示
系のLCDを動かすことによって瞳孔の動きを追尾させ
るには、上記の瞳孔移動量とLCD可動量の関係式か
ら、LCDを最大で50μmシフトできればよい。可動
機構としては、トルクが小さくストローク量の小さい安
価な超小型アクチュエータを用いる。
In this display system, when the pupil moves to the maximum, 9 × sin12 ° = 1.87 mm when viewing ± 12 ° which is a half angle of view in the horizontal direction. In order to track the movement of the pupil by moving the LCD of this display system, it is sufficient that the LCD can be shifted by a maximum of 50 μm from the above relational expression between the pupil movement amount and the LCD movable amount. As the movable mechanism, an inexpensive micro actuator having a small torque and a small stroke is used.

【0113】さらに、LCDの移動に伴ってクロストー
クによる不要光の発生、光量落ちを防ぐため、複数点光
源としてのバックライト、照明側マイクロレンズアレイ
22のそれぞれの画素に対応している各点光源、レンズ
の中心がLCDの各画素と射出瞳側マイクロレンズ21
の各レンズの中心を結ぶ延長線上に並ぶように、照明側
マイクロレンズアレイ可動部と点光源アレイ可動部によ
ってそれぞれ独立に移動させる。
Further, in order to prevent generation of unnecessary light and decrease in light amount due to crosstalk due to the movement of the LCD, a backlight as a multi-point light source and each point corresponding to each pixel of the illumination side micro lens array 22 are used. The center of the light source and lens is each pixel of the LCD and the exit pupil side micro lens 21
Are moved independently by the illumination-side microlens array movable section and the point light source array movable section so as to be arranged on an extension line connecting the centers of the lenses.

【0114】すなわち、アクチュエータとしては、本実
施例のように、バックライト、照明側マイクロレンズア
レイ22、LCDの3部をそれぞれにおいて可動部6で
独立に移動させることができるピエゾ素子を3部使用し
た駆動機構が必要になる。
That is, as the actuator, as in the present embodiment, three piezo elements capable of independently moving the backlight, the illumination-side microlens array 22, and the LCD with the movable portion 6 are used. A new driving mechanism is required.

【0115】本実施例の表示系における光軸方向の厚み
は、フィールドレンズの厚みが屈折率1.5程度の硝材
の場合、2、3mm程度であり、バックライト照明部を
4mmとし、表示デバイスを3mm、両マイクロレンズ
アレイの厚みを1mmとしたとき、本実施例の表示系
は、光軸方向の厚みは、表示デバイス3から観察光学系
観察者側の最終面まで約12mmと言った非常に薄型な
携帯型ディスプレイを提供できる。
The thickness of the display system of this embodiment in the optical axis direction is about 2 to 3 mm when the field lens is made of a glass material having a refractive index of about 1.5. Is 3 mm, and the thickness of both microlens arrays is 1 mm. In the display system of the present embodiment, the thickness in the optical axis direction is about 12 mm from the display device 3 to the final surface on the observer side of the observation optical system. And a thin portable display.

【0116】〔実施例6〕図29に本発明の実施例6の
概略構成図を示す。本実施例は、実施例5(図26)に
おけるフィールドレンズがない例である。映像表示手段
としてLCDのような透過型の表示デバイス3を用い
る。図30は、図29における照明及び観察系を示す図
であり、左から、点光源アレイ16、照明側MLA2
2、透過型表示デバイス3、射出瞳側MLA21、観察
者眼球Eと言う構成である。点光源アレイ16の各点光
源のピッチをpi 、照明側MLA22のレンズピッチを
n 、照明側MLA22の焦点距離をfn 、表示デバイ
ス3のサイズをL、画素ピッチをpd 、射出瞳側MLA
21のレンズピッチをpm 、射出瞳側MLA21の焦点
距離をfm とし、射出瞳側MLA21から射出瞳までの
距離をRとする。任意の1方向における点光源アレイ1
6の点光源数、照明側MLA22のレンズ数、表示デバ
イス3の画素数、射出瞳側MLA21のレンズ数はそれ
ぞれが対応しているため同じであり、N個とする。映像
表示デバイス3と射出瞳側MLA21との間隔は射出瞳
側MLA21の焦点距離fm とすれば、各画素から発せ
られた光束は平行光束となり目Eに導光できる。点光源
アレイ16、照明側MLA22との間隔をx、照明側M
LA22と表示デバイス3との間隔をy、表示半画角を
θとすれば、以下の関係が結像式及び幾何学的関係から
導かれる。
[Embodiment 6] FIG. 29 is a schematic structural diagram of Embodiment 6 of the present invention. This embodiment is an example in which there is no field lens in the fifth embodiment (FIG. 26). A transmissive display device 3 such as an LCD is used as an image display means. FIG. 30 is a diagram showing the illumination and observation system in FIG. 29. From the left, the point light source array 16 and the illumination side MLA2 are shown.
2, a transmission type display device 3, an exit pupil side MLA 21, and an observer's eyeball E. The pitch p i of the point light sources of the point light source array 16, the lens pitch p n of illumination side MLA22, the focal length f n of the illumination-side MLA22, the size of the display device 3 L, the pixel pitch p d, exit pupil Side MLA
The lens pitch of 21 p m, the focal length of the exit pupil side MLA21 and f m, the distance from the exit pupil side MLA21 to the exit pupil and R. Point light source array 1 in any one direction
The number of point light sources, the number of lenses on the illumination side MLA 22, the number of pixels on the display device 3, and the number of lenses on the exit pupil side MLA 21 are the same because they correspond to each other, and are N. Distance between the exit pupil side MLA21 an image display device 3 if the focal length f m of the exit pupil side MLA21, the light flux emitted from each pixel can be guided to become th E parallel beams. The distance between the point light source array 16 and the illumination side MLA 22 is x, and the illumination side M
Assuming that the distance between the LA 22 and the display device 3 is y and the display half angle of view is θ, the following relationship is derived from the imaging formula and the geometric relationship.

【0117】 tanθ=Npm /(2R)=Npd /{2(R+fm )} =Npn /{2(R+fm +y)} =Npi /{2(R+fm +x+y)} θ=tan-1[L/{2(R+fm )}] (x−fn )(y−fn )=fn 2 照明側MLA22に対して各々の点光源と各画素は共役
な位置に配される。したがって、複数の点光源と画素が
共役関係であり、画素と網膜が共役な関係になる。瞳孔
に追尾させるため、射出瞳側MLA21を移動させる場
合、照明効率を上げクロストークによる不要光の発生を
防ぐため、照明側MLA22と点光源アレイ16もそれ
に付随してそれぞれ独立に移動させる。射出瞳側MLA
21の各微小レンズの物体側の主点とそれに対応した各
画素の中心との延長線上に照明側MLA22の対応する
各微小レンズの像側の主点、さらに各点光源が位置する
ように、点光源アレイ16と照明側MLA22を移動さ
せる。
[0117] tanθ = Np m / (2R) = Np d / {2 (R + f m)} = Np n / {2 (R + f m + y)} = Np i / {2 (R + f m + x + y)} θ = tan - 1 [L / {2 (R + f m)}] (x-f n) (y-f n) = source and each pixel point of each relative to f n 2 illumination side MLA22 is placed in a conjugate position. Therefore, the plurality of point light sources and the pixels have a conjugate relationship, and the pixels and the retina have a conjugate relationship. When the exit pupil side MLA 21 is moved in order to track the pupil, the illumination side MLA 22 and the point light source array 16 are also independently moved in conjunction therewith in order to increase illumination efficiency and prevent generation of unnecessary light due to crosstalk. Exit pupil side MLA
The image-side principal point of each corresponding microlens of the illumination side MLA 22 and the point light sources are located on an extension of the object-side principal point of each microlens 21 and the center of each pixel corresponding thereto. The point light source array 16 and the illumination side MLA 22 are moved.

【0118】観察光学系の射出瞳を移動させるには、射
出瞳側MLA21を所定量移動させる。映像表示デバイ
ス3の各画素と射出瞳側MLA21の各レンズの主平面
との距離を射出瞳側MLA21の焦点距離fm とすれ
ば、射出瞳側MLA21をSシフトさせたとき、この光
学系の射出瞳の移動量Dは、 S=fm D/(R+fm )=2fm Dtanθ/L の関係がある。
To move the exit pupil of the observation optical system, the exit pupil side MLA 21 is moved by a predetermined amount. If the distance between each pixel of the image display device 3 and the main plane of each lens in the exit pupil side MLA21 the focal length f m of the exit pupil side MLA21, when the exit pupil side MLA21 was S shift of the optical system movement amount D of the exit pupil, a relationship of S = f m D / (R + f m) = 2f m Dtanθ / L.

【0119】以上は、射出瞳側MLA21を移動させる
ことによって光学系の射出瞳を移動させる方法である
が、図31に示すように、射出瞳側MLA21は移動さ
せずに、映像表示デバイス3を移動させても射出瞳を移
動させることができる。
The above is a method of moving the exit pupil of the optical system by moving the exit pupil side MLA 21. As shown in FIG. 31, the image display device 3 is moved without moving the exit pupil side MLA 21. Even if it is moved, the exit pupil can be moved.

【0120】映像表示デバイス3の各画素と射出瞳側M
LA21の各レンズの主平面との距離を射出瞳側MLA
の焦点距離fm とすれば、表示デバイス3をSシフトさ
せたとき、この光学系の射出瞳の移動量Dは、射出瞳側
MLA21を移動させた場合と同じように、 S=fm D/R=2fm Dtanθ/(L−2fm ta
nθ) なる関係が導かれる。ただし、R≫fm である。
Each pixel of the image display device 3 and the exit pupil side M
The distance of each lens of LA21 from the principal plane is defined as the MLA on the exit pupil side.
If the focal length f m of, when the display device 3 was S shift, the movement amount D of the exit pupil of the optical system, as if moving the exit pupil side MLA21, S = f m D / R = 2f m Dtanθ / ( L-2f m ta
nθ) is derived. However, it is R»f m.

【0121】このように表示デバイス3を移動させるケ
ースにおいても、照明効率を上げクロストークによる不
要光の発生を防ぐため、照明側MLA22と点光源アレ
イ16もそれに付随してそれぞれ独立に移動させる。射
出瞳側MLA21の各微小レンズの物体側の主点とそれ
に対応した各画素の中心との延長線上に、照明側MLA
22の対応する各微小レンズの像側の主点、さらに各点
光源が位置するように、点光源アレイ16と照明側ML
A22を移動させる。これによって、周辺の光量落ちや
クロストークによる映像劣化を生じさせることなく、鮮
明な映像を提供することができる。
In the case where the display device 3 is moved as described above, the illumination side MLA 22 and the point light source array 16 are also moved independently of each other in order to increase illumination efficiency and prevent generation of unnecessary light due to crosstalk. On the extension line between the principal point on the object side of each microlens on the exit pupil side MLA 21 and the center of each pixel corresponding thereto, the illumination side MLA
The point light source array 16 and the illuminating side ML are located such that the corresponding image-side principal points of each of the microlenses 22 and the point light sources are located.
A22 is moved. As a result, it is possible to provide a clear image without causing a decrease in the amount of light in the periphery or image deterioration due to crosstalk.

【0122】次に、実際に数値を用いた例を示す。射出
瞳までのアイリリーフは22.5mmとし、水平表示画
角を約30°、垂直表示画角を約23°とする。素子サ
イズが14.2mm×10.7mmの0.7”サイズの
LCDとし、このLCDの画素ピッチを水平28μm、
垂直方向を36μm、画素数を507×297ドットの
総画素数150,579とする。このLCDの観察者側
に、LCD各画素からの光を平行光化し導光するための
射出瞳側マイクロレンズアレイ21が、その主平面から
LCDの画素までがこのマイクロレンズの焦点距離であ
る1mm離れている状態で配される。射出瞳側マイクロ
レンズアレイ21のピッチは、上述のピッチの関係式か
ら、水平方向が26.9μm、垂直方向うが34.6μ
mのピッチになる。
Next, an example in which numerical values are actually used will be described. The eye relief up to the exit pupil is 22.5 mm, the horizontal display angle of view is about 30 °, and the vertical display angle of view is about 23 °. A 0.7 ″ LCD having an element size of 14.2 mm × 10.7 mm is used. The LCD has a pixel pitch of 28 μm horizontally.
The vertical direction is 36 μm, and the number of pixels is 507 × 297 dots, and the total number of pixels is 150,579. An exit pupil-side microlens array 21 for collimating and guiding light from each pixel of the LCD is provided on the viewer side of the LCD, and the focal length of the microlens from the main plane to the pixels of the LCD is 1 mm. They are placed apart. The pitch of the exit pupil-side microlens array 21 is 26.9 μm in the horizontal direction and 34.6 μm in the vertical direction according to the above relational expression of the pitch.
m pitch.

【0123】LCDは以下のような照明系にて照明され
る。発光面積の極微小なLED素子を上述のピッチの関
係式より算出された水平方向30.1μm、垂直方向3
8.7μmピッチにて2次元状に配列したLEDアレイ
を擬似点光源として、同じく上述のピッチの関係式より
導出された、水平方向29μm、垂直方向37.4μm
ピッチで2次元状に配列した焦点距離0.5mmの照明
側マイクロレンズアレイ22にて各々の微小LEDから
の光をLCD各画素に集光すると言う構成でなる照明系
である。照明側マイクロレンズアレイ22とLEDアレ
イ、LCD各画素との間隔はそれぞれ1mmとする。微
小LEDアレイはRGB3色がストライプ状に配列され
ていることによってカラー映像を作り出す。
The LCD is illuminated by the following illumination system. The LED element having a very small light emitting area is set to 30.1 μm in the horizontal direction and 3 in the vertical direction calculated by the above-described relational expression of the pitch.
Using an LED array two-dimensionally arranged at a pitch of 8.7 μm as a pseudo point light source, a horizontal direction of 29 μm and a vertical direction of 37.4 μm also derived from the above-described pitch relational expression.
This illumination system has a configuration in which light from each micro LED is condensed on each pixel of the LCD by an illumination-side microlens array 22 having a focal length of 0.5 mm arranged two-dimensionally at a pitch. The distance between the illumination side micro lens array 22 and each pixel of the LED array and the LCD is 1 mm. The small LED array produces a color image by arranging three colors of RGB in a stripe shape.

【0124】さらに、観察者の瞳孔位置を検出する瞳孔
位置検出センサにて検出された瞳孔位置情報に従って、
射出瞳側マイクロレンズアレイ21、微小LEDアレ
イ、照明側マイクロレンズアレイ22を駆動部6によっ
て射出瞳が瞳孔にかかるように追尾するように移動させ
る。
Further, according to the pupil position information detected by the pupil position detection sensor for detecting the pupil position of the observer.
The drive unit 6 moves the exit pupil side micro lens array 21, the micro LED array, and the illumination side micro lens array 22 so as to track the exit pupil to the pupil.

【0125】この表示系において、瞳孔が最大に動くと
きは、水平方向では半画角である±15°を見たときで
あり、観察者の眼球回旋中心から瞳孔までの距離を9m
mとすれば、9×sin15°=2.33mmである。
In this display system, the maximum movement of the pupil is when the viewer views ± 15 ° which is a half angle of view in the horizontal direction, and the distance from the center of rotation of the eyeball of the observer to the pupil is 9 m.
If m, 9 × sin15 ° = 2.33 mm.

【0126】この表示系の射出瞳側マイクロレンズアレ
イ21を移動させることによって瞳孔の動きに追尾させ
るには、上記の瞳孔移動量と射出瞳側マイクロレンズア
レイ駆動量の関係式から、射出瞳側マイクロレンズアレ
イ21の移動に伴ってクロストークによる不要光の発
生、光量落ちを防ぐため、微小LEDアレイ、照明側マ
イクロレンズアレイ22をそれぞれ画素に対応している
各微小LED、レンズの中心が、LCDの各画素と射出
瞳側マイクロレンズ21の各レンズの中心を結ぶ延長線
上に並ぶように、照明側マイクロレンズアレイ可動部と
微小LEDアレイ可動部によってそれぞれ独立にに移動
させる。
In order to track the movement of the pupil by moving the microlens array 21 on the exit pupil side of the display system, the relationship between the amount of pupil movement and the drive amount of the microlens array on the exit pupil side is obtained from the above-mentioned relational expression. In order to prevent the generation of unnecessary light due to crosstalk and the decrease in the amount of light due to the movement of the micro lens array 21, the micro LED array and the micro lens array 22 on the illumination side correspond to the respective pixels, The illumination-side microlens array movable unit and the micro LED array movable unit are independently moved so as to be aligned on an extension line connecting each pixel of the LCD and the center of each lens of the exit pupil-side microlens 21.

【0127】この構成により、フルカラーの解像度の良
い非常に薄型なディスプレイを提供することができる。
以上、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してきたが、本発明はこれら実施例
に限定されず、本発明の趣旨の範囲で適宜各種の変形、
組み合わせ等が可能である。
With this configuration, it is possible to provide a very thin display with full-color resolution and good resolution.
As described above, the eyeball projection type image display device of the present invention has been described based on some embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications, as appropriate, within the spirit of the present invention.
Combinations and the like are possible.

【0128】以上の本発明の眼球投影型映像表示装置は
例えば次のように構成することができる。 〔1〕 映像を表示するために2次元的に配列した画素
を含んだ映像表示手段と、前記映像表示手段の各画素か
ら射出された光束に正のパワーを付加する作用を持った
微小光学素子を2次元的に配列した光学部材を含む観察
光学系とを備えた眼球投影型映像表示装置において、前
記光学部材が、前記画素の解像度を増加させて観察者眼
球に導く作用を有すると共に、前記観察光学系を射出し
た光束を観察者瞳孔に入射させられるように、前記瞳孔
の移動に対応して前記観察光学系により形成される射出
瞳が移動するように構成されていることを特徴とする眼
球投影型映像表示装置。
The above-mentioned eyeball projection type image display apparatus of the present invention can be constituted, for example, as follows. [1] Image display means including two-dimensionally arranged pixels for displaying an image, and a micro-optical element having an action of adding a positive power to a light beam emitted from each pixel of the image display means In an eyeball projection type image display device comprising an observation optical system including an optical member arranged two-dimensionally, the optical member has an action of increasing the resolution of the pixel and guiding the pixel to the observer's eyeball, An exit pupil formed by the observation optical system is configured to move in response to the movement of the pupil so that a light beam emitted from the observation optical system can be made incident on an observer pupil. Eyeball projection type image display device.

【0129】〔2〕 映像を表示するために2次元的に
配列した画素を含んだ映像表示手段と、前記映像表示手
段の各画素に対応して2次元的に配列され、前記映像表
示手段の各画素からの射出光束を観察者眼球に導く微小
光学素子を含む観察光学系と、観察者瞳孔位置を検出す
る瞳孔位置検出手段と、前記観察光学系の射出瞳の位置
を変化させる射出瞳位置移動手段とを有することを特徴
とする眼球投影型映像表示装置。
[2] Image display means including pixels arranged two-dimensionally for displaying an image, and two-dimensionally arranged corresponding to each pixel of the image display means. An observation optical system including a micro-optical element for guiding an emitted light beam from each pixel to an observer's eyeball, a pupil position detecting means for detecting an observer pupil position, and an exit pupil position for changing a position of the exit pupil of the observation optical system An eyeball projection type image display device comprising: a moving unit.

【0130】〔3〕 上記〔1〕又は〔2〕において、
前記映像表示手段は自家発光型のものであることを特徴
とする眼球投影型映像表示装置。
[3] In the above [1] or [2],
The image display means is a self-luminous type, and is an eyeball projection type image display device.

【0131】〔4〕 上記〔3〕において、前記射出瞳
位置移動手段は、前記微小光学素子を移動する駆動機構
を有するものであることを特徴とする眼球投影型映像表
示装置。
[4] In the above-mentioned [3], the exit pupil position moving means has a drive mechanism for moving the micro optical element, and is an eyeball projection type image display apparatus.

【0132】この場合は、微小光学素子を光学系に用
い、それを移動させることによって、小さな移動量で大
きく射出瞳位置を変位させることができ、微小光学素子
を動かすためのアクチュエータ等のストローク量が小さ
くてすみ、簡易な移動手段によってレスポンス良く瞳孔
を追尾できる。ストローク量が小さいと言うことは、ア
クチュエータひいては装置全体を小型化できる利点があ
る。また、物点である映像表示手段の各画素の射出光分
布が微小光学素子のNAに比べて通常十分大きいため、
微小光学素子を動かしても光束量が減ぜず、明るい映像
を提供することができる。
In this case, by using the micro optical element for the optical system and moving it, the exit pupil position can be largely displaced with a small moving amount, and the stroke amount of an actuator or the like for moving the micro optical element can be changed. The pupil can be tracked with good response by simple moving means. The fact that the stroke amount is small has the advantage that the actuator and, consequently, the entire device can be miniaturized. In addition, since the emission light distribution of each pixel of the image display means, which is an object point, is usually sufficiently large as compared with the NA of the micro optical element,
Even if the micro optical element is moved, the amount of luminous flux does not decrease, and a bright image can be provided.

【0133】〔5〕 上記〔3〕において、前記射出瞳
位置移動手段は、前記映像表示手段を移動する駆動機構
を有するものであることを特徴とする眼球投影型映像表
示装置。
[5] In the above [3], the exit pupil position moving means has a drive mechanism for moving the video display means, wherein the eyeball projection type video display apparatus is provided.

【0134】この場合は、各微小光学素子に対応して画
素が配列している映像表示手段を移動させることによっ
て、小さな移動量で大きく射出瞳位置を変位させること
ができ、映像表示手段を動かすためのアクチュエータ等
のストローク量が小さくてすみ、簡易な移動手段によっ
てレスポンス良く瞳孔を追尾できる。ストローク量が小
さいと言うことは、アクチュエータひいては装置全体を
小型化できる利点がある。また、物点である映像表示手
段の各画素の射出光分布が微小光学素子のNAに比べて
通常十分大きいため、映像表示手段を動かしても光束量
が減ぜず、明るい映像を提供することができる。
In this case, by moving the image display means in which pixels are arranged corresponding to each micro optical element, the exit pupil position can be largely displaced with a small amount of movement, and the image display means is moved. Therefore, the stroke amount of the actuator or the like can be small, and the pupil can be tracked with good response by a simple moving means. The fact that the stroke amount is small has the advantage that the actuator and, consequently, the entire device can be miniaturized. Also, since the emission light distribution of each pixel of the image display means, which is an object point, is usually sufficiently large compared to the NA of the micro optical element, even if the image display means is moved, the amount of luminous flux does not decrease and a bright image is provided. Can be.

【0135】〔6〕 映像を表示するために2次元的に
配列した画素を有する透過型映像表示手段と、前記透過
型映像表示手段を照明する照明手段と、前記透過型映像
表示手段の各画素からの射出光束を観察者眼球に導く微
小光学素子を含む観察光学系と、観察者瞳孔位置を検出
する瞳孔位置検出手段と、前記観察光学系の射出瞳の位
置を変化させる射出瞳位置移動手段とを有することを特
徴とする眼球投影型映像表示装置。
[6] Transmission image display means having pixels arranged two-dimensionally to display an image, illumination means for illuminating the transmission image display means, and each pixel of the transmission image display means Optical system including a micro-optical element for guiding the emitted light beam from the camera to the observer's eyeball, pupil position detecting means for detecting the observer's pupil position, and exit pupil position moving means for changing the position of the exit pupil of the observation optical system An eyeball projection type image display device comprising:

【0136】この場合は、照明手段を必要とする透過型
の映像表示手段を使用したケースであり、観察光学系が
短焦点の微小光学素子を有することによって、眼球投影
型映像表示装置を小型軽量化することができ、加えて映
像表示手段の各画素と観察者の網膜が共役関係にあるこ
とによって高精細な映像を提供することができ、さら
に、観察者の瞳孔位置を検出し、その瞳孔位置に観察光
学系の射出瞳を追尾させることによって、この高精細な
映像がケラレることなく観察可能となる。
In this case, a transmission type image display means requiring illumination means is used, and the observation optical system has a short-focus minute optical element. In addition, since each pixel of the image display means and the retina of the observer have a conjugate relationship, a high-definition image can be provided. Further, the pupil position of the observer is detected, and the pupil is detected. By tracking the exit pupil of the observation optical system at the position, this high-definition image can be observed without vignetting.

【0137】また、照明手段側でNAの制御等も可能な
ので、解像度を劣化させる原因でもある正規の微小光学
素子以外の微小光学素子に光が入り込んでしまうゴース
トやフレアの原因になるいわゆるクロストークと言う現
象を防ぐことができる。
Also, since the NA can be controlled on the illuminating means side, so-called crosstalk which causes ghost or flare, in which light enters a small optical element other than a regular small optical element, which is a cause of degradation of resolution, is also caused. Can be prevented.

【0138】〔7〕 上記〔6〕において、前記照明手
段は、略平行光を供給する平行照明手段と、さらに、前
記透過型映像表示手段の各画素に対応して2次元状に配
列され、前記平行照明手段からの光を前記透過型映像表
示手段の各画素に集光する微小集光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。
[7] In the above [6], the illuminating means is a two-dimensional array corresponding to each pixel of the transmissive image display means, and a parallel illuminating means for supplying substantially parallel light, A microscopic light condensing element for condensing light from the parallel illumination means on each pixel of the transmission type image display means.

【0139】この場合は、照明手段に略平行光を供給す
る平行照明手段を含ませることによって、観察光学系中
の微小光学素子にて映像表示手段の各画素を通過した光
を集光する際、映像表示手段の各画素に対応した微小光
学素子に対して対応している正規の画素以外からの光が
入り込んでしまうと言うクロストーク現象が生じないよ
う制御しやすくなる。また、この平行照明手段から供給
される光を微小集光手段で各画素に集光することによっ
て照明効率が良くなり、明るい映像を提供することがで
きる。
In this case, by including parallel illumination means for supplying substantially parallel light to the illumination means, the light passing through each pixel of the image display means is condensed by the minute optical element in the observation optical system. In addition, it becomes easy to perform control so that a crosstalk phenomenon that light from a pixel other than the normal pixel corresponding to the micro optical element corresponding to each pixel of the image display means enters the micro optical element does not occur. Further, by condensing the light supplied from the parallel illuminating means on each pixel by the minute condensing means, the illumination efficiency is improved and a bright image can be provided.

【0140】〔8〕 上記〔7〕において、前記射出瞳
位置移動手段は、前記微小光学素子を移動する駆動機構
を有するものであることを特徴とする眼球投影型映像表
示装置。
[8] In the above-mentioned [7], the exit pupil position moving means has a drive mechanism for moving the micro optical element, and is an eyeball projection type image display apparatus.

【0141】この場合は、微小光学素子を光学系に用
い、それを移動させることによって、小さな移動量で大
きく射出瞳位置を変位させることができ、微小光学素子
を動かすためのアクチュエータ等のストローク量が小さ
くてすみ、簡易な移動手段によってレスポンス良く瞳孔
を追尾できる。ストローク量が小さいと言うことは、ア
クチュエータひいては装置全体を小型化できる利点があ
る。
In this case, by using the micro optical element for the optical system and moving it, the exit pupil position can be largely displaced with a small moving amount, and the stroke amount of the actuator or the like for moving the micro optical element can be changed. The pupil can be tracked with good response by simple moving means. The fact that the stroke amount is small has the advantage that the actuator and, consequently, the entire device can be miniaturized.

【0142】[0142]

〔9〕 上記〔7〕において、前記射出瞳
位置移動手段は、前記映像表示手段及び前記微小集光素
子を移動する駆動機構を有するものであることを特徴と
する眼球投影型映像表示装置。
[9] In the above [7], the exit pupil position moving means has a drive mechanism for moving the image display means and the minute light condensing element.

【0143】この場合は、各微小光学素子に対応して画
素が配列している映像表示手段を移動させることによっ
て、小さな移動量で大きく射出瞳位置を変位させること
ができ、映像表示手段を動かすためのアクチュエータ等
のストローク量が小さくてすみ、簡易な移動手段によっ
てレスポンス良く瞳孔を追尾できる。ストローク量が小
さいと言うことは、アクチュエータひいては装置全体を
小型化できる利点がある。
In this case, by moving the image display means in which the pixels are arranged corresponding to the respective micro optical elements, the exit pupil position can be largely displaced with a small amount of movement, and the image display means is moved. Therefore, the stroke amount of the actuator or the like can be small, and the pupil can be tracked with good response by a simple moving means. The fact that the stroke amount is small has the advantage that the actuator and, consequently, the entire device can be miniaturized.

【0144】また、映像表示手段を動かすのと連動し
て、同じ移動量で微小集光素子を動かすことにより、常
に画素に平行照明手段からの光を集光でき、明るい映像
が提供できる。
In addition, by moving the minute light condensing element by the same amount of movement in conjunction with moving the image display means, light from the parallel illumination means can always be condensed on the pixel, and a bright image can be provided.

【0145】〔10〕 上記〔8〕又は[10] The above [8] or

〔9〕におい
て、前記微小集光素子の開口数は前記微小光学素子の開
口数よりも大きいことを特徴とする眼球投影型映像表示
装置。
[9] The eyeball projection type image display device according to [9], wherein a numerical aperture of the minute light condensing element is larger than a numerical aperture of the minute optical element.

【0146】この場合は、平行照明手段から発せられた
光は映像表示手段の画素を通過するが、微小光学素子に
おいて、1つ1つの画素に対応している各々の正規の微
小集光素子に入射する光束量は、射出瞳位置を移動させ
る際、映像表示手段又は微小光学手段を移動させるにつ
れて少なくなってしまう。これに対する対策として、画
素を挟んで照明側の微小集光素子の焦点距離を射出瞳側
の微小光学素子の焦点距離よりも小さくなるような関係
にすることによって、ある画素から射出した光束は、対
応する微小光学素子のみでなく、隣の微小光学素子等に
も及び、微小光学素子又は映像表示手段が動かされて
も、正規の画素からの情報を含む光束が減ずることがな
くなり、瞳孔に射出瞳を追尾させても明るさが落ちるこ
とがなくなる。
In this case, the light emitted from the parallel illuminating means passes through the pixels of the image display means. In the micro optical element, the light is applied to each of the regular micro light condensing elements corresponding to each pixel. When moving the exit pupil position, the amount of incident light flux decreases as the image display means or the minute optical means moves. As a countermeasure against this, by making the focal length of the micro-focusing element on the illumination side across the pixel smaller than the focal length of the micro-optical element on the exit pupil side, the luminous flux emitted from a certain pixel is Not only the corresponding micro-optical element but also the adjacent micro-optical element etc., even if the micro-optical element or the image display means is moved, the luminous flux including the information from the regular pixels will not be reduced, and will be emitted to the pupil. Even if the eyes are tracked, the brightness does not decrease.

【0147】〔11〕 上記〔10〕において、 1.5<微小集光素子のNA/微小光学素子のNA<2 の関係を満たすことを特徴とする眼球投影型映像表示装
置。
[11] The eyeball projection type image display device according to the above [10], wherein 1.5 <NA of the small light condensing element / NA <2 of the small optical element is satisfied.

【0148】この場合は、上記の微小集光素子の開口数
を微小光学素子の開口数よりも大きくする場合の作用効
果を得るためには、望ましくは、微小集光素子と微小光
学素子の材質の屈折率差、微小レンズ表面の曲率半径を
コントロールすることによって、あるいは、屈折率分布
型等のものにすることによって、両者の焦点距離をコン
トロールし、微小集光素子のNAが微小光学素子のNA
の1.5倍から2倍の値を持つようにするとよい。その
とき、微小集光素子によって画素上に集光された光束は
微小光学素子に入射する際に、微小光学素子エレメント
の略1.5個から2個に入射することになり、観察者の
瞳孔の動きに従って射出瞳を移動させるために微小光学
素子あるいは映像表示手段を移動させるときに伴う光量
落ちを防ぐことができる。
In this case, in order to obtain the operational effect when the numerical aperture of the above-mentioned minute light-collecting element is made larger than the numerical aperture of the minute optical element, it is desirable that the material of the minute light-collecting element and the minute optical element be used. By controlling the refractive index difference of the micro lens and the radius of curvature of the surface of the micro lens, or by using a refractive index distribution type or the like, the focal length of both is controlled, and the NA of the micro light condensing element is NA
It is preferable to have a value 1.5 to 2 times as large as. At this time, when the light beam condensed on the pixel by the micro light condensing element is incident on the micro optical element, it is incident on approximately 1.5 to 2 of the micro optical element elements, and the pupil of the observer In order to move the exit pupil in accordance with the movement of the image, it is possible to prevent a decrease in the amount of light accompanying the movement of the micro optical element or the image display means.

【0149】〔12〕 上記〔6〕において、前記照明
手段は、前記透過型映像表示手段の各画素を照明する2
次元的に配列した複数の微小発光点と、前記微小発光点
からの光を前記透過型映像表示手段の各画素に集光する
少なくとも1つ以上の微小集光素子を有することを特徴
とする眼球投影型映像表示装置。
[12] In the above item [6], the illumination means illuminates each pixel of the transmission type video display means.
An eyeball comprising: a plurality of small light emitting points arranged in a dimension; and at least one light collecting element for collecting light from the small light emitting points to each pixel of the transmission type image display means. Projection type video display device.

【0150】この場合は、照明系として何らかの形で複
数の発光点光源を形成し、この複数の発光点に短焦点の
微小集光素子を対応させることによって、発光点から発
した光を映像表示手段の各画素毎に集光させる。これに
より、発光点から画素を通過し濃淡色彩情報を拾い集光
されるに至るまでの光路長が短くなる。すなわち、照明
手段が薄型になる。したがって、頭部あるいは顔部に装
着するタイプの映像表示装置においては、突出量が小さ
くなり、非常に好適である。
In this case, a plurality of light emitting point light sources are formed in some form as an illumination system, and a short focal point minute light condensing element is made to correspond to the plurality of light emitting points, so that light emitted from the light emitting points is displayed on an image. Light is condensed for each pixel of the means. As a result, the optical path length from the light emitting point through the pixel to the point where the light and dark color information is collected and collected is shortened. That is, the lighting unit becomes thin. Therefore, in a video display device of a type worn on the head or face, the projection amount is small, which is very suitable.

【0151】また、各画素に集光する際に、1つの微小
集光素子に対してそれに対応した画素と発光点が共役な
位置関係になるようにそれぞれを配することによって、
正規の画素以外からの光が入り込んでしまうと言うクロ
ストーク現象が生じ難くなって、表示映像の劣化の原因
となる不要光の発生を防ぐことができる。さらに、照明
効率が良くなり、明るい映像を提供することができる。
When light is condensed on each pixel, each pixel is arranged such that a pixel and a light emitting point corresponding to the micro light condensing element have a conjugate positional relationship.
The crosstalk phenomenon that light from a pixel other than the regular pixel enters is unlikely to occur, and the generation of unnecessary light that causes deterioration of a displayed image can be prevented. Further, the lighting efficiency is improved, and a bright image can be provided.

【0152】〔13〕 上記〔12〕において、前記射
出瞳位置移動手段は、前記微小光学素子を移動させる駆
動機構、及び、前記微小集光素子に対して前記複数の微
小発光点と前記映像表示手段の各画素とが略共役関係に
なるように、前記複数の微小発光点と前記微小集光素子
とを移動させる駆動機構を有することを特徴とする眼球
投影型映像表示装置。
[13] In the above item [12], the exit pupil position moving means includes a driving mechanism for moving the micro optical element, and the plurality of micro light emitting points and the image display with respect to the micro light condensing element. An eyeball projection type image display device, comprising: a driving mechanism for moving the plurality of minute light emitting points and the minute light condensing element so that each pixel of the means has a substantially conjugate relationship.

【0153】この場合は、観察光学系に微小光学素子を
用い、それを移動させることによって、小さな移動量で
大きく射出瞳位置を変位させることができ、微小光学素
子を動かすためのアクチュエータ等のストローク量が小
さくてすみ、簡易な移動手段にてレスポンス良く瞳孔を
追尾できる。ストローク量が小さいと言うことは、アク
チュエータひいては装置全体を小型化できる利点があ
る。また、微小発光点と映像表示手段の各画素が対応す
る微小集光素子に対して略共役な関係になるように、微
小発光点と微小集光手段をそれぞれ移動させることによ
って、常に無駄な光束が発生せず画素を照明することが
可能になり、光量効率良く明るい映像を提供できる。
In this case, by using a micro optical element for the observation optical system and moving it, the exit pupil position can be largely displaced by a small amount of movement, and a stroke of an actuator or the like for moving the micro optical element can be obtained. The pupil can be tracked with good response by a simple moving means with a small amount. The fact that the stroke amount is small has the advantage that the actuator and, consequently, the entire device can be miniaturized. Further, by moving the minute light emitting point and the minute light condensing means so that the minute light emitting point and each pixel of the image display means are substantially conjugate to the corresponding minute light condensing element, unnecessary light flux is always obtained. This makes it possible to illuminate the pixel without causing the occurrence of light, thereby providing a bright image with high light quantity efficiency.

【0154】〔14〕 上記〔12〕において、前記射
出瞳位置移動手段は、前記映像表示手段を移動させる駆
動機構、及び、前記微小集光素子に対して前記複数の微
小発光点と前記映像表示手段の各画素とが略共役関係に
なるように、前記複数の微小発光点と前記微小集光素子
とを移動させる駆動機構を有することを特徴とする眼球
投影型映像表示装置。
[14] In the above item [12], the exit pupil position moving means includes a drive mechanism for moving the image display means, and the plurality of minute light emitting points and the image display means with respect to the minute light condensing element. An eyeball projection type image display device, comprising: a driving mechanism for moving the plurality of minute light emitting points and the minute light condensing element so that each pixel of the means has a substantially conjugate relationship.

【0155】この場合は、観察光学系に微小光学素子を
用い、映像表示手段を移動させることによって、小さな
移動量で大きく射出瞳位置を変位させることができ、映
像表示手段を動かすためのアクチュエータ等のストロー
ク量が小さくてすみ、簡易な移動手段にてレスポンス良
く瞳孔を追尾できる。ストローク量が小さいと言うこと
は、アクチュエータひいては装置全体を小型化できる利
点がある。また、微小発光点と映像表示手段の各画素が
対応する微小集光素子に対して略共役な関係になるよう
に、微小発光点と微小集光手段をそれぞれ移動させるこ
とによって、常に無駄な光束が発生せず画素を照明する
ことが可能になり、光量効率良く明るい映像を提供でき
る。
In this case, by using a micro optical element for the observation optical system and moving the image display means, the exit pupil position can be largely displaced with a small amount of movement, and an actuator or the like for moving the image display means can be used. Is small, and the pupil can be tracked with good response by simple moving means. The fact that the stroke amount is small has the advantage that the actuator and, consequently, the entire device can be miniaturized. Further, by moving the minute light emitting point and the minute light condensing means so that the minute light emitting point and each pixel of the image display means are substantially conjugate to the corresponding minute light condensing element, unnecessary light flux is always obtained. This makes it possible to illuminate the pixel without causing the occurrence of light, thereby providing a bright image with high light quantity efficiency.

【0156】〔15〕 上記〔4〕、〔5〕、〔8〕、
[15] The above [4], [5], [8],

〔9〕、〔13〕又は〔14〕において、前記観察光学
系は前記微小光学素子のみで構成されていることを特徴
とする眼球投影型映像表示装置。
[9] The eyeball projection type video display according to [13] or [14], wherein the observation optical system includes only the micro optical element.

【0157】この場合は、微小光学素子のみで観察光学
系が構成されるため、非常にシンプルであり、薄型とな
る。
In this case, since the observation optical system is constituted only by the minute optical elements, it is very simple and thin.

【0158】〔16〕 上記〔15〕において、前記微
小光学素子のピッチは、前記映像表示手段の画素ピッチ
より小さく、さらに、以下の式を満足することを特徴と
する眼球投影型映像表示装置。 18fm sinθtanθ/(L−2fm tanθ)<
m <1 (mm) ただし、pm は前記微小光学素子のピッチ、fm は前記
微小光学素子の焦点距離、Lは前記映像表示手段の任意
の一辺方向の長さ、θは前記の任意の一辺方向の最大観
察半画角である。
[16] In the above-mentioned [15], the pitch of the micro optical elements is smaller than the pixel pitch of the video display means, and further satisfies the following expression. 18f m sinθtanθ / (L-2f m tanθ) <
p m <1 (mm) where p m is the pitch of the micro-optical element, f m is the focal length of the micro-optical element, L is the length of any one side of the image display means, θ is the above-mentioned arbitrary Is the maximum viewing half angle of view in one side direction.

【0159】この場合は、映像表示手段の画素から発せ
られた光がその画素に対応した正規の微小光学素子以外
の微小光学素子に入り込んでしまうと、正規の瞳の周辺
に不要な瞳ができあがるが、それが目に入らないような
構成にすれば、解像度の劣化を防ぐことができる。具体
的には、画素ピッチ又は微小光学素子のピッチが大きく
なれば、クロストークする光線の角度が大きくなり、そ
の結果観察者瞳孔に入射する角度が正規光の入射する角
度と差がつき、射出瞳位置において正規の瞳位置から不
要の瞳位置が離れて、観察者の目に入り難くなる。ま
た、後記の〔21〕で述べることから、ピッチは1mm
以下であることが妥当である。これにより、微小光学素
子のピッチは上記の範囲にあることが好適である。
In this case, if light emitted from a pixel of the image display means enters a small optical element other than the regular small optical element corresponding to the pixel, an unnecessary pupil is formed around the regular pupil. However, if the configuration is such that it is not visible, the resolution can be prevented from deteriorating. Specifically, if the pixel pitch or the pitch of the micro-optical elements increases, the angle of the light beam that crosstalks increases. As a result, the angle of incidence on the observer's pupil differs from the angle of incidence of normal light, and At the pupil position, an unnecessary pupil position is separated from a normal pupil position, and it is difficult for the observer to enter the eyes. Also, as described in [21] below, the pitch is 1 mm
It is reasonable that: Accordingly, it is preferable that the pitch of the micro optical elements be in the above range.

【0160】〔17〕 上記〔4〕、〔5〕、〔8〕、
[17] The above [4], [5], [8],

〔9〕、〔13〕、〔14〕又は〔15〕において、前
記観察光学系の眼前の主点から射出瞳までの距離をR、
前記微小光学素子の焦点距離をfm とすると、その比f
m /Rは、 0.0001<fm /R<0.03 であることを特徴とする眼前投影型映像表示装置。
In [9], [13], [14] or [15], the distance from the principal point in front of the observation optical system to the exit pupil is R,
When the focal length of the micro-optical element and f m, the ratio f
m / R is 0.0001 <before eyes projection type image display device which is a f m /R<0.03.

【0161】この場合は、微小光学素子又は映像表示手
段を移動量S移動させることによって移動する瞳位置移
動量をDとし、微小光学素子を含む観察光学系の眼側の
主点から射出瞳までの距離をR、微小光学素子の焦点距
離をfm とすれば、実施例1及び2に述べるように、そ
の比S/Dはfm /Rに等しい。
In this case, the pupil position moving amount which is moved by moving the micro optical element or the image display means by the moving amount S is defined as D, and from the principal point on the eye side of the observation optical system including the micro optical element to the exit pupil. if the distance R, the focal length of the micro-optical element and f m, as described in examples 1 and 2, the ratio S / D is equal to f m / R.

【0162】観察光学系が微小光学素子の他にフィール
ドレンズや必要により接眼レンズを含む場合、微小光学
素子とそれを除くフィールドレンズや接眼レンズとの主
点間距離を小さくすることによって、その比S/Dは微
小光学素子の焦点距離と、微小光学素子によって略平行
光化された光束を目に集光する役目のフィールドレンズ
や接眼レンズの焦点距離との比に略等しくなる。これに
より、瞳を移動させるための微小光学素子又は映像表示
手段の移動量が求まる。
When the observation optical system includes a field lens and an eyepiece lens if necessary in addition to the micro optical element, the distance between the principal points between the micro optical element and the other field lens or eyepiece can be reduced by reducing the distance between the principal points. S / D is approximately equal to the ratio of the focal length of the micro optical element to the focal length of the field lens or eyepiece, which serves to focus the light beam substantially parallelized by the micro optical element on the eye. Thus, the amount of movement of the micro optical element or the image display means for moving the pupil is obtained.

【0163】このとき、微小光学素子又は映像表示手段
の移動量は、レスポンスを速くするために移動させる装
置自体を小さくするため、小さい方が好ましい。すなわ
ち、微小光学素子の焦点距離は短い方が好ましい。しか
し、例えば透過型の表示デバイスの代表であるLCDの
場合のように、基板としてのガラスがあるため、表示デ
バイス表面と画素との間に隔たりがある。そのため、微
小光学素子の焦点距離を短くするには限界がある。ま
た、微小光学素子の製作上の問題で、焦点距離は微小光
学素子の各レンズのピッチに大きく依存しており、余り
小さくしてしまうと、クロストークが起きやすくなった
り、明るさの点で好ましくない。そのため、微小光学素
子の焦点距離に制限ができる。
At this time, it is preferable that the moving amount of the micro optical element or the image display means is small in order to reduce the size of the device itself to be moved for quick response. That is, it is preferable that the focal length of the micro optical element is short. However, there is a gap between the surface of the display device and the pixels because there is glass as the substrate, as in the case of an LCD, which is a typical example of a transmissive display device. Therefore, there is a limit in shortening the focal length of the micro optical element. Also, due to the problem of manufacturing micro-optical elements, the focal length greatly depends on the pitch of each lens of the micro-optical elements, and if it is made too small, crosstalk is likely to occur, and in terms of brightness, Not preferred. Therefore, the focal length of the micro optical element can be limited.

【0164】また、このとき、フィールドレンズや接眼
レンズの最終面から射出瞳までの距離、いわゆるアイリ
リーフの妥当な値は10〜50mm程度であるため、微
小光学素子の焦点距離に関するfm /Rには適当とする
範囲が存在する。
At this time, since the distance from the final surface of the field lens or the eyepiece to the exit pupil, that is, a reasonable value of the so-called eye relief is about 10 to 50 mm, f m / R relating to the focal length of the micro optical element is required. Has an appropriate range.

【0165】射出瞳を移動させる量Dは、表示画角が大
きい程大きな値が必要とされるが、観察光学系の収差か
ら考えると表示できる画角には限界があり、また、画角
が小さすぎても表示映像が小さすぎて好ましくない。こ
れにより、Dには適当とする範囲がおよそ決まる。
The amount D of moving the exit pupil needs to be larger as the display angle of view is larger. However, considering the aberration of the observation optical system, the viewable angle of view is limited. If it is too small, the displayed image is too small, which is not preferable. Thus, an appropriate range for D is approximately determined.

【0166】さらに、微小光学素子又は映像表示手段の
移動量Sにも適当な範囲が存在し、それはアクチュエー
タ等で微小光学素子又は映像表示手段を移動させる量と
して小さすぎると精度が出せないし、大きすぎてはレス
ポンスが悪くなる等から範囲が決まる。
Further, there is an appropriate range for the movement amount S of the micro optical element or the image display means. If the amount of movement of the micro optical element or the image display means by an actuator or the like is too small, accuracy cannot be obtained, and If it is too long, the range will be determined due to poor response.

【0167】以上により、S/D、すなわち、上記のf
m /Rに適当な範囲が存在する。以上の作用及び効果を
得るのに、妥当な値が0.0001<fm /R<0.0
3である。fm /Rが、この範囲における下限0.00
01を下回ると、上に述べたように精度が悪くなり、上
限0.03を上回ると、レスポンスが悪くなる。
As described above, S / D, that is, f
There is a suitable range for m / R. To obtain the operation and effect of the above, reasonable values 0.0001 <f m /R<0.0
3. f m / R is the lower limit of 0.00 in this range.
When the value is less than 01, the accuracy becomes poor as described above, and when the value exceeds the upper limit of 0.03, the response becomes poor.

【0168】また、観察光学系が微小光学素子のみで構
成される場合においても同様であり、微小光学素子の焦
点距離と微小光学素子から眼球までの距離に妥当な値が
存在し、それが上記の範囲である。
[0168] The same applies to the case where the observation optical system is composed of only micro-optical elements. There are valid values for the focal length of the micro-optical elements and the distance from the micro-optical elements to the eyeball. Range.

【0169】〔18〕 上記〔17〕において、前記観
察光学系の眼側の主点から射出瞳までの距離Rが10〜
50mmの範囲にあることを特徴とする眼球投影型映像
表示装置。
[18] In the above item [17], the distance R from the principal point on the eye side of the observation optical system to the exit pupil is 10 to 10.
An eyeball projection type image display device characterized by being in a range of 50 mm.

【0170】この場合は、眼球投影型映像表示装置とし
てアイリリーフが近すぎると、観察光学系の最終面が観
察者まつ毛に触れてしまったり、眼鏡を用いている人は
眼鏡が当たってしまい、長すぎると、光量を多くするこ
とができず暗くなり、装置自体が大型化してしまうが、
上記の範囲はそれらの問題をクリアするのに好適なもの
である。
In this case, if the eye relief is too close as the eyeball projection type image display device, the final surface of the observation optical system will touch the eyelashes of the observer, or the person wearing the glasses will wear the glasses. If it is too long, it will not be possible to increase the amount of light, it will be dark, and the device itself will be large,
The above ranges are suitable for overcoming those problems.

【0171】〔19〕 上記〔17〕において、前記観
察光学系の眼側の主点から射出瞳までの距離Rが20〜
30mmの範囲にあることを特徴とする眼球投影型映像
表示装置。
[19] In the above item [17], the distance R from the principal point on the eye side of the observation optical system to the exit pupil is 20 to
An eyeball projection type video display device characterized by being within a range of 30 mm.

【0172】この場合は、上記〔18〕の作用と効果に
述べたことを考慮しつつ、観察者の顔が移動したりして
観察光学系の最終面が観察者まつ毛に触れたり、眼鏡装
着者の眼鏡に当たってしまうことをなくす意味で、さら
に装置の小型化を図りながら映像を明るくする意味で、
Rは20〜30mmの条件を満たすと好適である。
In this case, while taking into account the effects and effects of the above item [18], the observer's face may move, the final surface of the observation optical system may touch the observer's eyelashes, or wear eyeglasses. In the sense that it does not hit the eyeglasses of the person, in the sense of brightening the image while further miniaturizing the device,
It is preferable that R satisfies the condition of 20 to 30 mm.

【0173】〔20〕 上記〔17〕において、 0.001<fm /R<0.01 であることを特徴とする眼前投影型映像表示装置。[0173] [20] In the above [17], 0.001 <before eyes projection type image display device which is a f m /R<0.01.

【0174】この場合は、上記〔17〕の作用と効果を
述べたことを考慮しつつ、実際の表示デバイスに合わせ
る意味で、さらに、微小光学素子の製作精度を良くする
意味で、fm /Rは、望ましくは、0.001<fm
R<0.01の条件を満たすと好適である。
In this case, considering the operation and effect of the above item [17], f m / m is used in order to match the actual display device and further to improve the manufacturing accuracy of the micro optical element. R is preferably, 0.001 <f m /
It is preferable to satisfy the condition of R <0.01.

【0175】〔21〕 上記〔4〕、〔5〕、〔8〕、
[21] The above [4], [5], [8],

〔9〕、〔13〕又は〔14〕において、前記微小光学
素子のピッチは前記映像表示手段の画素ピッチに等し
く、さらに、以下の式を満足することを特徴とする眼球
投影型映像表示装置。 9fm sinθ/fo <p<1 (mm) ただし、pは前記画素ピッチ、fm は前記微小光学素子
の焦点距離、fo は前記微小光学素子以外の観察光学系
の合成焦点距離、θは最大観察半画角である。
In any one of [9], [13] and [14], the pitch of the micro optical elements is equal to the pixel pitch of the image display means, and further satisfies the following expression. 9f m sinθ / f o <p <1 (mm) Here, p is the pixel pitch, f m is the focal length of the micro-optical element, f o is the composite focal length of the observation optical system other than the micro-optical element, theta Is the maximum viewing half angle of view.

【0176】この場合は、映像表示手段の画素から発せ
られた光がその画素に対応した正規の微小光学素子以外
の微小光学素子に入り込んでしまうと、正規の瞳の周辺
に不要な瞳ができあがるが、それが目に入らないような
構成にすれば解像度の劣化を防ぐことができる。
In this case, if light emitted from a pixel of the image display means enters a minute optical element other than the regular minute optical element corresponding to the pixel, an unnecessary pupil is formed around the regular pupil. However, if the configuration is such that it is invisible to the eyes, the resolution can be prevented from deteriorating.

【0177】具体的には、画素ピッチ又は微小光学素子
のピッチが大きくなれば、クロストークする光線の角度
が大きくなり、その結果、観察者瞳孔に入射する角度が
正規光の入射する角度と差がつき、射出瞳位置において
正規の瞳位置から不要の瞳位置が離れて観察者の目に入
り難くなる。上記の式において、観察者の眼球の回旋中
心から瞳孔までの長さを9mmとした。
Specifically, if the pixel pitch or the pitch of the micro optical element is increased, the angle of the light beam that cross-talks is increased. As a result, the angle of incidence on the observer pupil is different from the angle of incidence of the normal light. At the exit pupil position, an unnecessary pupil position is separated from a normal pupil position, making it difficult to enter the observer's eyes. In the above equation, the length from the center of rotation of the eyeball of the observer to the pupil was 9 mm.

【0178】さらに、微小光学素子の製作を考えた場
合、ピッチが小さければフォトリソグラフィー法による
エッチング等を利用することが考えられ、ピッチが大き
ければ切削又は成形が考えられるが、切削や成形による
場合、面形状の精度を出すのが難しく、よく用いられる
方法としてアニールして熱だれにより曲率を付けること
がある。この場合、ピッチが大きすぎると、表面張力と
ピッチとのバランスが崩れ都合よく面形状を出せなくな
ってしまう。
Further, when considering the manufacture of a micro optical element, if the pitch is small, etching or the like by photolithography may be used, and if the pitch is large, cutting or molding may be considered. In addition, it is difficult to obtain the accuracy of the surface shape, and as a frequently used method, there is a case where a curvature is given by annealing by heat. In this case, if the pitch is too large, the balance between the surface tension and the pitch is lost, and the surface shape cannot be conveniently formed.

【0179】また、網膜に投影する表示機器の場合、装
置の大型化を避けるため小型な表示素子を用いるので、
微小光学素子のピッチと等しいとした画素ピッチの上限
は自ずと決まってくる。以上により、画素ピッチ又は微
小光学素子のピッチには上記の適切な範囲にあることが
望ましい。
In the case of a display device that projects onto the retina, a small display element is used to avoid an increase in the size of the device.
The upper limit of the pixel pitch which is assumed to be equal to the pitch of the micro optical element is naturally determined. As described above, it is desirable that the pixel pitch or the pitch of the micro optical element be in the appropriate range described above.

【0180】〔22〕 上記〔4〕、〔5〕、〔8〕、
[22] The above [4], [5], [8],

〔9〕、〔13〕又は〔14〕において、前記映像表示
手段に表示する映像をシフトする映像シフト機能を有す
ることを特徴とする眼球投影型映像表示装置。
[9] The eyeball projection image display device according to [13] or [14], further comprising an image shift function of shifting an image displayed on the image display means.

【0181】この場合は、観察光学系の射出瞳を観察者
瞳孔に追尾させることに伴って生じる映像シフトを、表
示側でそれと逆側にシフトした映像を表示することによ
って解消し、良好な映像が観察可能となる。
In this case, the image shift caused by tracking the exit pupil of the observation optical system to the observer's pupil is eliminated by displaying the image shifted to the opposite side on the display side, and a good image is obtained. Becomes observable.

【0182】〔23〕 上記〔22〕において、前記映
像シフト機能による任意の観察方向におけるシフト量を
角度にしてδ°とするとき、δは最大観察画角の30%
以下であることを特徴とする眼球投影型映像表示装置。
[23] In the above item [22], when the shift amount in an arbitrary observation direction by the video shift function is δ °, δ is 30% of the maximum observation field angle.
An eyeball projection type image display device characterized by the following.

【0183】この場合は、そのシフト量が大きいと、シ
フトさせた場合にシフトさせた方向の画面表示領域が狭
くなる。これが余り大きいと不自然であり、良好な映像
を供給するには上記の範囲内でシフトさせることが好適
である。
In this case, if the shift amount is large, the screen display area in the shifted direction becomes narrow when the shift is performed. If this is too large, it is unnatural, and it is preferable to shift within the above range to supply a good image.

【0184】〔24〕 上記〔3〕又は〔6〕におい
て、前記微小光学素子に対応して微小なプリズムが配列
されたプリズムアレイを有することを特徴とする眼球投
影型映像表示装置。
[24] The eyeball projection image display device according to [3] or [6], further comprising a prism array in which minute prisms are arranged corresponding to the minute optical elements.

【0185】この場合は、RGB各画素に各微小光学素
子を対応させると、各微小光学素子間のピッチが小さく
なり、微小光学素子の大きさも小さくなる。その結果、
微小光学素子のNAも小さくなってしまうが、微小なプ
リズムを用いることによってRGB3画素毎に1つの微
小光学素子を対応させることが可能となり、微小光学素
子ピッチを画素ピッチよりも大きくでき、その結果、N
Aも大きくすることができる。また、このことは微小光
学素子であるレンズの製作精度上好ましい。
In this case, if each micro optical element is made to correspond to each RGB pixel, the pitch between each micro optical element becomes small and the size of the micro optical element becomes small. as a result,
Although the NA of the micro optical element is reduced, one micro optical element can be made to correspond to each of the three RGB pixels by using the micro prism, and the micro optical element pitch can be made larger than the pixel pitch. , N
A can also be increased. This is preferable in terms of manufacturing accuracy of a lens which is a micro optical element.

【0186】〔25〕 上記〔1〕から〔24〕の何れ
か1項において、頭部又は顔部搭載型に構成されている
ことを特徴とする眼球投影型映像表示装置。
[25] The eyeball projection type video display device according to any one of the above [1] to [24], wherein the device is configured to be mounted on a head or a face.

【0187】この場合は、観察光学系が短焦点の微小光
学素子を有し、さらに映像表示手段の各画素と観察者の
網膜が共役関係を保ちながら観察者の瞳孔位置に観察光
学系の射出瞳を追尾させることによって、ケラレのない
高解像な映像を再現できるコンパクトな表示系が提供で
きる。このことは頭部あるいは顔部に装着するタイプの
映像表示装置においては、突出量が小さく、解像度のよ
い映像を供給できるため、非常に好適である。
In this case, the observation optical system has a short-focus micro-optical element, and further, each pixel of the image display means and the retina of the observer maintain the conjugate relationship, and the observation optical system exits to the pupil position of the observer. By tracking the pupil, a compact display system capable of reproducing a high-resolution image without vignetting can be provided. This is very suitable for an image display device of a type that is mounted on the head or the face, because the amount of protrusion is small and an image with high resolution can be supplied.

【0188】〔26〕 上記〔1〕から〔24〕の何れ
か1項において、左右のステレオ表示が可能な頭部又は
顔部搭載型に構成されていることを特徴とする眼球投影
型映像表示装置。
[26] The eyeball projection type video display according to any one of the above [1] to [24], which is configured to be a head or face mounted type capable of performing left and right stereo display. apparatus.

【0189】この場合は、観察者の眼球に映像を投影す
る映像表示装置において、ステレオ表示する場合、各目
独立に映像を表示するための光学系を要するが、それぞ
れの目で本発明の薄型、コンパクト、高解像な光学系を
用いることにより、装置全体が軽量・コンパクト化、さ
らに高解像化できる。
In this case, an optical system for displaying an image independently for each eye is required for stereoscopic display in an image display device for projecting an image to an observer's eyeball. By using a compact, high-resolution optical system, the entire apparatus can be made lighter, more compact, and have a higher resolution.

【0190】〔27〕 上記〔4〕、〔5〕、〔8〕、
[27] The above [4], [5], [8],

〔9〕、〔13〕又は〔14〕において、前記駆動機構
は、前記映像表示手段の画素を2次元的に配列した配列
方向と略同一方向に向かって移動作用を与えるように駆
動することを特徴とする眼球投影型映像表示装置。
[9] In [13] or [14], the driving mechanism may be configured to drive the pixels of the image display means so as to exert a moving action in substantially the same direction as the two-dimensionally arranged direction. An eyeball projection type image display device.

【0191】[0191]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、観察光学系が短焦点の微小光学素子を有する
ことによって、眼球投影型映像表示装置を小型軽量化す
ることができ、加えて映像表示手段の各画素と観察者の
網膜が共役関係にあることによって高精細な映像を提供
することができ、さらに、観察者の瞳孔位置を検出し、
その瞳孔位置に観察光学系の射出瞳を追尾させることに
よって、この高精細な映像がケラレることなく観察可能
となる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, since the observation optical system has the short focus micro optical element, the eyeball projection type image display device can be reduced in size and weight. By providing a conjugate relationship between each pixel of the image display means and the retina of the observer, it is possible to provide a high-definition image, and further, the pupil position of the observer is detected,
By tracking the exit pupil of the observation optical system at the position of the pupil, this high-definition image can be observed without vignetting.

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

【図1】本発明の実施例1の眼球投影型映像表示装置の
概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an eyeball projection type image display device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明によるメガネ型頭部装着型ディスプレイ
装置を観察者頭部に装着した様子を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which the glasses-type head-mounted display device according to the present invention is mounted on an observer's head.

【図3】図1の概略構成の装置の動作を説明するための
ブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram for explaining the operation of the device having the schematic configuration of FIG. 1;

【図4】実施例1の観察光学系の射出瞳を移動させる原
理を説明するための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of moving the exit pupil of the observation optical system according to the first embodiment.

【図5】映像表示デバイスを移動させて射出瞳を移動さ
せる原理を説明するための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining a principle of moving an image display device to move an exit pupil.

【図6】クロストーク光により正規の瞳以外の瞳が形成
される様子を説明するための図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining how a pupil other than a normal pupil is formed by crosstalk light.

【図7】表示半画角と眼球回旋中心から瞳孔までの距離
と瞳孔最大移動距離との関係を説明するための図であ
る。
FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the display half angle of view, the distance from the center of rotation of the eyeball to the pupil, and the maximum pupil movement distance.

【図8】クロストーク光により形成された瞳の位置を説
明するための図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining a position of a pupil formed by crosstalk light.

【図9】瞳孔に射出瞳を追尾させる際に表示映像がシフ
トする様子を説明するための図である。
FIG. 9 is a diagram for explaining how a display image shifts when an exit pupil is tracked by a pupil.

【図10】実施例2の眼球投影型映像表示装置の概略構
成図である。
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of an eyeball projection image display device according to a second embodiment.

【図11】実施例2における表示半画角を説明するため
の図である。
FIG. 11 is a diagram for explaining a display half angle of view in the second embodiment.

【図12】実施例2における射出瞳を移動させる原理を
説明するための図である。
FIG. 12 is a diagram for explaining the principle of moving the exit pupil in the second embodiment.

【図13】実施例2の変形例の概略構成図である。FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a modification of the second embodiment.

【図14】実施例2の変形例の射出瞳を移動させる原理
を説明するための図である。
FIG. 14 is a diagram illustrating a principle of moving an exit pupil according to a modification of the second embodiment.

【図15】実施例2におけるクロストーク光により形成
された瞳の位置を説明するための図である。
FIG. 15 is a diagram for explaining a position of a pupil formed by crosstalk light according to the second embodiment.

【図16】実施例2において瞳孔が動く範囲を例示する
図である。
FIG. 16 is a diagram illustrating a range in which a pupil moves in the second embodiment.

【図17】実施例3の眼球投影型映像表示装置の概略構
成図である。
FIG. 17 is a schematic configuration diagram of an eyeball projection image display device according to a third embodiment.

【図18】実施例3の変形例の概略構成図である。FIG. 18 is a schematic configuration diagram of a modification of the third embodiment.

【図19】実施例3における瞳孔追尾により光量落ちが
起きる様子を示すための図である。
FIG. 19 is a diagram illustrating a state in which a light amount drop occurs due to pupil tracking in the third embodiment.

【図20】実施例3において光量落ちを防止するための
配置を説明するための図である。
FIG. 20 is a diagram for explaining an arrangement for preventing a light quantity drop in the third embodiment.

【図21】RGB3ピクセルを1つのマイクロレンズに
対応させるためにマイクロプリズムを組み合わせた変形
例の光路図とマイクロプリズムの斜視図である。
FIG. 21 is an optical path diagram and a perspective view of a microprism of a modification in which microprisms are combined to make three RGB pixels correspond to one microlens.

【図22】実施例3において瞳孔が動く範囲を例示する
図である。
FIG. 22 is a diagram illustrating a range in which a pupil moves in a third embodiment.

【図23】実施例4の眼球投影型映像表示装置の概略構
成図である。
FIG. 23 is a schematic configuration diagram of an eyeball projection type image display device according to a fourth embodiment.

【図24】実施例4の変形例の概略構成図である。FIG. 24 is a schematic configuration diagram of a modification of the fourth embodiment.

【図25】据え置き型ビューワーの例を示す斜視図であ
る。
FIG. 25 is a perspective view showing an example of a stationary viewer.

【図26】実施例5の眼球投影型映像表示装置の概略構
成図である。
FIG. 26 is a schematic configuration diagram of an eyeball projection type image display device according to a fifth embodiment.

【図27】実施例5の変形例の概略構成図である。FIG. 27 is a schematic configuration diagram of a modification of the fifth embodiment.

【図28】ハンディタイプ単眼ビューワーを観察者に装
着した状態を示す斜視図とその正面図である。
28A and 28B are a perspective view and a front view showing a state in which a handy type monocular viewer is attached to an observer.

【図29】実施例6の眼球投影型映像表示装置の概略構
成図である。
FIG. 29 is a schematic configuration diagram of an eyeball projection type image display device according to a sixth embodiment.

【図30】実施例6の諸パラメータの関係を説明するた
めの図である。
FIG. 30 is a diagram for explaining a relationship among various parameters according to the sixth embodiment.

【図31】実施例6の変形例の概略構成図である。FIG. 31 is a schematic configuration diagram of a modification of the sixth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

E…眼球 1…フィールドレンズ 2…マイクロレンズアレイ 3…映像表示デバイス 4…瞳孔位置検出部 5…演算制御部 6…駆動部 7…映像制御部 10…HMD 11…コントローラ 13…画素 14…平行照明部 15…マイクロプリズムアレイ 16…点光源アレイ 20…据え置き型ビューワー 21…射出瞳側マイクロレンズアレイ 22…照明側マイクロレンズアレイ 23…瞳孔位置検出センサ 24…単眼ビューワー E ... eyeball 1 ... field lens 2 ... micro lens array 3 ... video display device 4 ... pupil position detection unit 5 ... arithmetic control unit 6 ... drive unit 7 ... video control unit 10 ... HMD 11 ... controller 13 ... pixel 14 ... parallel illumination Unit 15: Micro prism array 16: Point light source array 20: Stationary viewer 21 ... Exit pupil side micro lens array 22 ... Illumination side micro lens array 23 ... Pupillary position detection sensor 24 ... Monocular viewer

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 映像を表示するために2次元的に配列し
た画素を含んだ映像表示手段と、前記映像表示手段の各
画素から射出された光束に正のパワーを付加する作用を
持った微小光学素子を2次元的に配列した光学部材を含
む観察光学系とを備えた眼球投影型映像表示装置におい
て、 前記光学部材が、前記画素の解像度を増加させて観察者
眼球に導く作用を有すると共に、 前記観察光学系を射出した光束を観察者瞳孔に入射させ
られるように、前記瞳孔の移動に対応して前記観察光学
系により形成される射出瞳が移動するように構成されて
いることを特徴とする眼球投影型映像表示装置。
An image display means including two-dimensionally arranged pixels for displaying an image, and a microscopic element having an action of adding a positive power to a light beam emitted from each pixel of the image display means. An eyeball projection type image display device comprising: an observation optical system including an optical member in which optical elements are two-dimensionally arranged. An exit pupil formed by the observation optical system moves in accordance with the movement of the pupil so that a light beam emitted from the observation optical system can be made incident on an observer pupil. Eye projection type image display device.
【請求項2】 映像を表示するために2次元的に配列し
た画素を含んだ映像表示手段と、前記映像表示手段の各
画素に対応して2次元的に配列され、前記映像表示手段
の各画素からの射出光束を観察者眼球に導く微小光学素
子を含む観察光学系と、観察者瞳孔位置を検出する瞳孔
位置検出手段と、前記観察光学系の射出瞳の位置を変化
させる射出瞳位置移動手段とを有することを特徴とする
眼球投影型映像表示装置。
2. An image display means including two-dimensionally arranged pixels for displaying an image, and two-dimensionally arranged corresponding to each pixel of the image display means, An observation optical system including a micro-optical element for guiding an emitted light beam from a pixel to an observer's eyeball; a pupil position detecting means for detecting an observer's pupil position; And an eyeball projection type image display device.
【請求項3】 請求項1又は2において、前記映像表示
手段は自家発光型のものであることを特徴とする眼球投
影型映像表示装置。
3. An eyeball projection type image display apparatus according to claim 1, wherein said image display means is of a self-luminous type.
JP12552497A 1997-05-15 1997-05-15 Eye ball projection type video display device Withdrawn JPH10319342A (en)

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