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JP7558841B2 - Image Projection Device - Google Patents
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JP7558841B2 - Image Projection Device - Google Patents

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JP7558841B2 JP2021028219A JP2021028219A JP7558841B2 JP 7558841 B2 JP7558841 B2 JP 7558841B2 JP 2021028219 A JP2021028219 A JP 2021028219A JP 2021028219 A JP2021028219 A JP 2021028219A JP 7558841 B2 JP7558841 B2 JP 7558841B2
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Description

本発明は、画像投影装置に関し、特に回折格子を用いた画像投影装置に関する。 The present invention relates to an image projection device, and in particular to an image projection device that uses a diffraction grating.

従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置で構成することも提案されている。 Conventionally, dashboards that light up icons have been used as devices for displaying various types of information inside vehicles. As the amount of information to be displayed increases, it has also been proposed to embed an image display device in the dashboard or to configure the entire dashboard with an image display device.

しかし、計器盤は車両のフロントガラスより下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があるため好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、運転者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ(以下HUD:Head Up Display)も提案されている(例えば、特許文献1を参照)。このようなHUDでは、フロントガラスの広い範囲に画像を投影するための光学装置が必要であり、光学装置の小型化および軽量化が望まれている。 However, because the instrument panel is located below the windshield of the vehicle, the driver must move his or her eyes downward while driving in order to view the information displayed on the instrument panel, which is undesirable. For this reason, a head-up display (hereinafter referred to as HUD) has been proposed that projects an image onto the windshield so that the driver can read the information when viewing the area ahead of the vehicle (see, for example, Patent Document 1). Such a HUD requires an optical device for projecting an image over a wide area of the windshield, and there is a demand for a smaller and lighter optical device.

一方で、小型の光学装置を用いて光を投影する画像表示装置としては、導光板の一端から光を入射させて他端側で視点方向に光を取り出すウェアラブル型のHUDが知られている(例えば、特許文献2を参照)。ウェアラブル型のHUDでは、光源から照射された光を視聴者の眼に直接照射して、視聴者の網膜に画像を投影している。このようなウェアラブル型のHUDでは、光源から視聴者に光を照射する際に回折格子やハーフミラーを用いている。ウェアラブル型のHUDは、頭部に装着することで利用者個人の視点に対して画像を投影するため、没入感の高い仮想現実(VR:Virtual Reality)や拡張現実(AR: Augmented Reality)等に用いられる。 On the other hand, as an image display device that projects light using a small optical device, a wearable HUD is known in which light is incident from one end of a light guide plate and is extracted in the direction of the viewpoint from the other end (see, for example, Patent Document 2). In a wearable HUD, light emitted from a light source is directly irradiated onto the viewer's eyes, and an image is projected onto the viewer's retina. In such a wearable HUD, a diffraction grating or half mirror is used when irradiating light from the light source to the viewer. Wearable HUDs are worn on the head to project images toward the user's individual viewpoint, and are therefore used in highly immersive virtual reality (VR) and augmented reality (AR), etc.

特開2019-119262号公報JP 2019-119262 A 特開2020-144190号公報JP 2020-144190 A

しかし、従来のウェアラブル型のHUDでは、回折格子やハーフミラーで導光板から画像を視点方向に投影するため、視点からの距離が同じである平面内に全ての画像が表示される。そのため、複数の画像を異なる視点からの距離に表示して重ね合わせることが困難であった。また、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影するには、投影位置に対応した画像投影部と光学系部材を設計して個別に配置する必要があるため、部品点数が増加して装置の小型化と軽量化が困難になるという問題があった。 However, in conventional wearable HUDs, images are projected from a light guide plate in the direction of the viewpoint using a diffraction grating or half mirror, so all images are displayed on a plane that is the same distance from the viewpoint. This makes it difficult to display multiple images at different distances from the viewpoint and overlay them. Furthermore, in order to project multiple images at positions at different distances from the viewpoint, it is necessary to design and individually arrange image projection units and optical system components corresponding to the projection positions, which increases the number of parts and makes it difficult to make the device smaller and lighter.

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、さらに小型化と軽量化を図ることが可能な画像投影装置を提供することを目的とする。 The present invention has been developed in consideration of the above-mentioned problems with the conventional technology, and aims to provide an image projection device that can project multiple images at positions at different distances from the viewpoint, and can also be made smaller and lighter.

上記課題を解決するために、本発明の画像投影装置は、第1光を照射する第1画像照射部と、前記第1光が入射される第1光入射部と、前記第1光の一部を全反射しながら導波光として導波する光導波部と、前記導波光の一部を視点方向に出射する第1光出射部を有する導光板部と、前記第1光入射部に設けられた回折格子部を備え、前記第1光出射部は、前記光導波部内に設けられたビームスプリッターと、前記光導波部の端部に設けられた再帰反射部を備え、前記導光板部は、前記回折格子部で分岐された光の一つを透過して前記視点方向とは異なる外部スクリーン方向に出射する第2光出射部を備えることを特徴とする。
In order to solve the above problem, the image projection device of the present invention comprises a first image irradiation section that irradiates a first light, a first light incident section into which the first light is incident, a light guide section that guides a portion of the first light as guided light while totally reflecting it, a light guide plate section having a first light exit section that emits a portion of the guided light in a viewpoint direction, and a diffraction grating section provided on the first light incident section, wherein the first light exit section comprises a beam splitter provided within the light guide section and a retroreflection section provided at an end of the light guide section , and the light guide plate section comprises a second light exit section that transmits one of the light beams branched by the diffraction grating section and emits it in a direction of an external screen different from the viewpoint direction .

このような本発明の画像投影装置では、ビームスプリッターで第1光を分岐してスクリーンに画像を投影するとともに、光導波部の端部で再帰反射部によって第1光を再帰反射し、ビームスプリッターで視点方向に投影してエアリアルイメージを結像することができる。これにより、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、さらに小型化と軽量化を図ることが可能となる。 In the image projection device of the present invention, the first light is split by the beam splitter to project an image onto a screen, and the first light is retroreflected by the retroreflecting section at the end of the optical waveguide section and projected in the direction of the viewpoint by the beam splitter to form an aerial image. This makes it possible to project multiple images at positions at different distances from the viewpoint, and further reduce the size and weight of the device.

また、本発明の一態様では、前記視点方向と前記外部スクリーン方向とは、略平行である。 In one embodiment of the present invention, the viewing direction and the external screen direction are approximately parallel.

また、本発明の一態様では、光の透過と遮断を切り替える光シャッター部が、前記第1光出射部または前記第2光出射部に設けられている。 In one aspect of the present invention, an optical shutter section that switches between transmitting and blocking light is provided in the first light emitting section or the second light emitting section.

また、本発明の一態様では、前記第1光の波長を変換する波長変換部が、前記第1光出射部または前記第2光出射部に設けられている。 In one aspect of the present invention, a wavelength conversion unit that converts the wavelength of the first light is provided in the first light output unit or the second light output unit.

また、本発明の一態様では、前記再帰反射部は、光を正反射する正反射領域と再帰反射する再帰反射領域が混在して形成されている。 In one embodiment of the present invention, the retroreflective portion is formed by mixing a specular reflection area that specularly reflects light and a retroreflective area that retroreflects light.

また、本発明の一態様では、前記導波光の一部を反射して残りを透過する部分反射部が、前記ビームスプリッターと前記再帰反射部の間に設けられている。 In one aspect of the present invention, a partial reflector that reflects a portion of the guided light and transmits the remainder is provided between the beam splitter and the retroreflector.

また、本発明の一態様では、第2光を前記回折格子に対して照射する第2画像照射部を備え、前記回折格子部に対する前記第1光と前記第2光の入射角度が異なっており、前記光導波部は、前記第2光の一部を全反射しながら導波光として導波する。 In one aspect of the present invention, a second image irradiation unit is provided that irradiates the diffraction grating with a second light, and the angles of incidence of the first light and the second light with respect to the diffraction grating unit are different, and the optical waveguide unit totally reflects a portion of the second light while guiding it as guided light.

また、本発明の一態様では、前記第1光の波長を反射し前記第2光の波長を透過する選択反射部が、前記ビームスプリッターと前記再帰反射部の間に設けられている。 In one aspect of the present invention, a selective reflection section that reflects the first wavelength of light and transmits the second wavelength of light is provided between the beam splitter and the retroreflection section.

また、本発明の一態様では、前記第1光の波長または前記第2光の波長を選択的に遮断する光フィルターが、前記第2光出射部に設けられている。 In one aspect of the present invention, an optical filter that selectively blocks the wavelength of the first light or the wavelength of the second light is provided in the second light output section.

また、本発明の一態様では、前記光導波部が曲面形状を有する。 In one aspect of the present invention, the optical waveguide portion has a curved shape.

また、本発明の一態様では、前記第1画像照射部は、液晶表示素子またはデジタルミラーデバイスを備え、前記第1光に含まれる第1画像の内容を経時的に変化させる。 In one aspect of the present invention, the first image irradiating unit includes a liquid crystal display element or a digital mirror device, and changes the content of the first image contained in the first light over time.

また、本発明の一態様では、二つの前記導光板部を備え、前記導光板部のそれぞれの前記第1光入射部に、一つの前記回折格子部が共通に設けられている。 In one aspect of the present invention, two light guide plate sections are provided, and one of the diffraction grating sections is commonly provided at the first light entrance section of each of the light guide plate sections.

また、本発明の一態様では、前記回折格子部は、光入射面を構成する平板状部分と、前記平板状部分と一体に構成された凹凸部分を備え、前記導光板部とは別体に形成されている。 In one aspect of the present invention, the diffraction grating portion includes a flat portion that constitutes the light incidence surface and an uneven portion that is integral with the flat portion, and is formed separately from the light guide plate portion.

また、本発明の一態様では、前記回折格子部は、少なくとも二つの方向に光を回折するホログラフィックグレーティングを有する。 In one aspect of the present invention, the diffraction grating portion has a holographic grating that diffracts light in at least two directions.

本発明では、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、さらに小型化と軽量化を図ることが可能な画像投影装置を提供することができる。 The present invention provides an image projection device that can project multiple images at different distances from a viewpoint and can be made smaller and lighter.

第1実施形態における回折格子部10の構造を示す模式断面図である。2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a diffraction grating portion 10 in the first embodiment. FIG. 第1実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a structure of an image projection device according to a first embodiment. 第1実施形態に係る画像投影装置の第1光出射部を拡大して示す模式断面図である。2 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged view of a first light exit portion of the image projection device according to the first embodiment. FIG. 視点60位置にカメラを設置して、外部スクリーン30上に投影した画像EXと空中に結像したエアリアルイメージA1を撮像した写真であり、図4(a)は外部スクリーン30にカメラの焦点をあて、図4(b)はエアリアルイメージA1の結像位置にカメラの焦点をあてたものである。The photographs were taken by placing a camera at viewpoint 60 to capture an image EX projected onto an external screen 30 and an aerial image A1 formed in the air. In FIG. 4(a), the camera was focused on the external screen 30, and in FIG. 4(b), the camera was focused on the position where the aerial image A1 was formed. 第2実施形態に係る画像投影装置の第1光出射部を拡大して示す模式断面図である。10 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged view of a first light exit portion of an image projection device according to a second embodiment. FIG. 視点60位置にカメラを設置して、外部スクリーン30上に投影した画像EXおよび画像V1と、空中に結像したエアリアルイメージA1を撮像した写真であり、図6(a)は外部スクリーン30にカメラの焦点をあて、図6(b)はエアリアルイメージA1の結像位置にカメラの焦点をあてたものである。The photographs were taken by placing a camera at viewpoint 60 to capture images EX and V1 projected onto external screen 30, and an aerial image A1 formed in the air. In FIG. 6(a), the camera was focused on external screen 30, and in FIG. 6(b), the camera was focused on the position where aerial image A1 was formed. 第3実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing a structure of an image projection device according to a third embodiment. 第3実施形態に係る画像投影装置の第1光出射部を拡大して示す模式断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged view of a first light exit portion of an image projection device according to a third embodiment. 視点60位置にカメラを設置して、外部スクリーン30上に投影した画像EXおよび画像V1と、空中に結像したエアリアルイメージA1、A2を撮像した写真であり、図9(a)はエアリアルイメージA1の結像位置にカメラの焦点をあて、図9(b)はエアリアルイメージA2の結像位置にカメラの焦点をあて、図9(c)は外部スクリーン30にカメラの焦点をあてたものである。The photographs were taken by placing a camera at viewpoint 60 to capture images EX and V1 projected onto external screen 30, and aerial images A1 and A2 formed in the air. In Figure 9(a), the camera was focused on the position where aerial image A1 is formed, in Figure 9(b), the camera was focused on the position where aerial image A2 is formed, and in Figure 9(c), the camera was focused on external screen 30. エアリアルイメージA1,A2のビームプロファイルを示す図であり、図10(a)は視点60位置から焦点を合わせた写真であり、図10(b)(c)は結像位置での三次元輝度プロファイルを示し、図10(d)はx方向での輝度プロファイルであり、図10(e)はy方向での輝度プロファイルである。10A and 10B show the beam profiles of aerial images A1 and A2, where FIG. 10A is a photograph focused from viewpoint 60, FIGS. 10B and 10C show the three-dimensional luminance profile at the imaging position, FIG. 10D is the luminance profile in the x direction, and FIG. 10E is the luminance profile in the y direction. 第4実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing a structure of an image projection device according to a fourth embodiment. 第4実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing a structure of an image projection device according to a modified example of the fourth embodiment. 第5実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing a structure of an image projection device according to a fifth embodiment. 第5実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing a structure of an image projection device according to a modified example of the fifth embodiment. 第6実施形態における再帰反射部24の構造例を示す模式図である。13A to 13C are schematic diagrams illustrating an example of the structure of a retroreflective portion 24 in a sixth embodiment.

(第1実施形態)
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図1は、本実施形態における回折格子部10の構造を示す模式断面図である。図1に示すように回折格子部10は、平板状部分11と、凸部12と凹部13を備えている。ここで凸部12および凹部13は、回折格子部10において面内方向において周期的な屈折率の繰り返しを構成する部分であり、本発明における凹凸部分に相当している。平板状部分11と凸部12は同一の材料で一体に形成されている。なお図1は、回折格子部10の構造を模式的に示したものであり、図中の寸法や角度は回折格子部10における実寸を示すものではない。
First Embodiment
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in each drawing are given the same reference numerals, and duplicated descriptions are omitted as appropriate. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a diffraction grating section 10 in this embodiment. As shown in FIG. 1, the diffraction grating section 10 includes a flat plate-like portion 11, a convex portion 12, and a concave portion 13. Here, the convex portion 12 and the concave portion 13 are portions that constitute a periodic repetition of refractive index in the in-plane direction in the diffraction grating section 10, and correspond to the concave-convex portion in the present invention. The flat plate-like portion 11 and the convex portion 12 are integrally formed of the same material. Note that FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of the diffraction grating section 10, and the dimensions and angles in the figure do not indicate the actual dimensions of the diffraction grating section 10.

図1に示した例では、回折格子部10の凸部12と凹部は、それぞれ紙面の奥行方向にストライプ状に延伸して形成されている。凸部12は、平板状部分11の主面に対して所定の角度φだけ傾斜して形成されており、スランテッドグレーティングを構成している。また、凸部12および凹部13上は、平板状部分11とは屈折率が異なる材料で構成される被覆部により覆われている。回折格子部10を構成する材料は限定されないが、一例としては、平板状部分11および凸部12を構成する材料としてTiOを主成分とする屈折率2.5程度の誘電体が挙げられ、凸部12および凹部13を覆う被覆部としてSiOを主成分とするガラスやポリマーが挙げられる。 In the example shown in FIG. 1, the convex portions 12 and concave portions of the diffraction grating portion 10 are formed in stripes extending in the depth direction of the paper. The convex portions 12 are formed at a predetermined angle φ with respect to the main surface of the flat plate portion 11, forming a slanted grating. The convex portions 12 and concave portions 13 are covered with a covering portion made of a material having a refractive index different from that of the flat plate portion 11. The material constituting the diffraction grating portion 10 is not limited, but as an example, the material constituting the flat plate portion 11 and the convex portions 12 is a dielectric material having a refractive index of about 2.5 and mainly composed of TiO 2 , and the covering portion covering the convex portions 12 and concave portions 13 is a glass or polymer mainly composed of SiO 2 .

回折格子部10の凹凸部分は公知の方法で形成することができ、例えばフォトリソグラフィー技術やナノインプリント技術、EBL(Electron Beam Lithography)技術等を用いることができる。また、被覆部を傾斜させた状態で保持し、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法等を用いることで、角度φだけ傾斜して凸部12および凹部13を形成することができる。このとき、凸部12および凹部13の傾斜角度φとは、凸部12の上端と下端における中央を結んだ線が、回折格子部10の主面との間でなす角度である。図1では回折格子部10の凹凸部分として、凸部12および凹部13が傾斜したスランテッドグレーティングを示したが、主面に垂直なピラードグレーティングであってもよい。 The uneven portion of the diffraction grating portion 10 can be formed by a known method, such as photolithography, nanoimprinting, or EBL (Electron Beam Lithography). In addition, the covering portion can be held in an inclined state and the protrusions 12 and recesses 13 can be formed at an angle φ by using a reactive ion etching (RIE) method or the like. In this case, the inclination angle φ of the protrusions 12 and recesses 13 is the angle between the line connecting the center of the upper end and the lower end of the protrusion 12 and the main surface of the diffraction grating portion 10. In FIG. 1, a slanted grating in which the protrusions 12 and recesses 13 are inclined is shown as the uneven portion of the diffraction grating portion 10, but a pillared grating perpendicular to the main surface may also be used.

次に図1を用いて、回折格子部10における光路について説明する。なお図1は、矢印を用いて回折格子部10における光の進行を模式的に示しているが、正確な光の入射位置や進行経路、出射位置を反映したものではない。図示しない光源部からは、回折格子部10に向けてレーザ光が照射される。ここでレーザ光は位相が揃ったコヒーレントな光であり、コリメートレンズ等によってコリメート光として照射される。光源部から照射された入射光は、回折格子部10の界面から所定の傾斜角度で平板状部分11の内部に入射する。 Next, the optical path in the diffraction grating section 10 will be described with reference to FIG. 1. Note that FIG. 1 uses arrows to show the progression of light in the diffraction grating section 10, but does not reflect the exact position of incidence, progression path, or exit position of the light. Laser light is irradiated toward the diffraction grating section 10 from a light source section (not shown). Here, the laser light is coherent light with a uniform phase, and is irradiated as collimated light by a collimating lens or the like. The incident light irradiated from the light source section enters the inside of the flat plate-shaped section 11 from the interface of the diffraction grating section 10 at a predetermined inclination angle.

ここで、入射光の偏光方向は、凸部12のストライプとは平行な方向とされている。図1では、入射光の傾斜角度と、回折格子部10における凸部12および凹部13の傾斜方向φとが同じ方向である例を示しているが、逆方向であってもよい。回折格子部10内に入射した光は、凸部12と凹部13との周期的な屈折率差により一部が回折光として所定角度で外部方向に進行し、一部は伝搬光として平板状部分11の面内を漏れ伝搬光として伝搬する。平板状部分11内を伝搬する漏れ伝搬光は、空気との界面において反射されて再度凹凸部分に到達し、凸部12および凹部13によって回折される。 Here, the polarization direction of the incident light is parallel to the stripes of the convex portions 12. In FIG. 1, an example is shown in which the inclination angle of the incident light and the inclination direction φ of the convex portions 12 and the concave portions 13 in the diffraction grating portion 10 are the same direction, but they may be opposite directions. A portion of the light incident on the diffraction grating portion 10 travels toward the outside at a predetermined angle as diffracted light due to the periodic refractive index difference between the convex portions 12 and the concave portions 13, and a portion of the light propagates as leaky propagating light within the plane of the flat portion 11 as propagating light. The leaky propagating light propagating within the flat portion 11 is reflected at the interface with the air and reaches the concave portions again, where it is diffracted by the convex portions 12 and the concave portions 13.

図1に示した例では、回折格子部10により回折された光のうち、0次光T1は被覆部を透過して外部に照射される。また、凸部12が傾斜した方向に回折された一次光(-1次光T2)も被覆部を透過して外部に照射される。これは、0次光T1と-1次光T2は、回折格子部10主面に対して垂直に近い角度で回折されるため、被覆部と空気層との界面における全反射条件を満たさないためである。 In the example shown in FIG. 1, of the light diffracted by the diffraction grating section 10, the zeroth order light T1 passes through the coating and is irradiated to the outside. In addition, the primary light (-1st order light T2) diffracted in the direction in which the convex section 12 is tilted also passes through the coating and is irradiated to the outside. This is because the zeroth order light T1 and -1st order light T2 are diffracted at an angle close to perpendicular to the main surface of the diffraction grating section 10, and therefore do not satisfy the condition for total reflection at the interface between the coating and the air layer.

また、凸部12の傾斜と反対方向に回折された一次光(+1次光I1)は、被覆部と空気層の界面により全反射して被覆部内を伝搬する。同様に、凸部12の傾斜した方向に回折された二次光(-2次光I2)も、被覆部と空気層の界面により全反射して被覆部内を伝搬する。被覆部と空気層の界面での全反射条件は、被覆部を構成する材料の屈折率で決まる。被覆部内を全反射して伝搬した+1次光I1と-2次光I2は、被覆部の端部から外部に照射される。このとき、0次光T1、-1次光T2、+1次光I1および-2次光I2は、凸部12および凹部13によって回折された光であるため、僅かに光径が拡がりながら進行する。 The primary light (+1st order light I1) diffracted in the opposite direction to the inclination of the convex portion 12 is totally reflected by the interface between the coating portion and the air layer and propagates within the coating portion. Similarly, the secondary light (-2nd order light I2) diffracted in the inclination direction of the convex portion 12 is totally reflected by the interface between the coating portion and the air layer and propagates within the coating portion. The total reflection condition at the interface between the coating portion and the air layer is determined by the refractive index of the material that constitutes the coating portion. The +1st order light I1 and -2nd order light I2 that are totally reflected and propagate within the coating portion are irradiated to the outside from the end of the coating portion. At this time, the 0th order light T1, -1st order light T2, +1st order light I1, and -2nd order light I2 are diffracted by the convex portion 12 and the concave portion 13, so the light diameter slightly expands as they proceed.

図2は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図2に示すように画像投影装置は、回折格子部10と、導光板部20と、外部スクリーン30と、画像照射部40,50とを備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、視点60の位置から導光板部20および外部スクリーン30方向を視認する。回折格子部10は、図1に示したように平板状部分11と、凸部12と凹部13と被覆部を備えた光学素子であり、導光板部20とは別体に形成されている。導光板部20は、透光性の材料で構成された板状の部材であり、光導波部21と、光入射部22と、ビームスプリッター23と、再帰反射部24を備えている。 Figure 2 is a schematic diagram showing the structure of the image projection device according to this embodiment. As shown in Figure 2, the image projection device includes a diffraction grating section 10, a light guide plate section 20, an external screen 30, and image projection sections 40 and 50. A viewer wearing the image projection device visually recognizes the direction of the light guide plate section 20 and the external screen 30 from the position of a viewpoint 60. As shown in Figure 1, the diffraction grating section 10 is an optical element including a flat plate-shaped portion 11, a convex portion 12, a concave portion 13, and a covering portion, and is formed separately from the light guide plate section 20. The light guide plate section 20 is a plate-shaped member made of a light-transmitting material, and includes a light guide section 21, a light entrance section 22, a beam splitter 23, and a retroreflection section 24.

光導波部21は、透光性材料からなる平板状の部材であり、空気との界面で光が全反射を繰り返すことで、一端側から他端側に光を導波する。また、光導波部21は一方の面側から他方の面側に光が透過するため、視点60から光導波部21を介して外部スクリーン30方向を視認することが可能である。光導波部21の一端側は主面に対して傾斜した面である光入射部22が形成されており、回折格子部10が配置されている。光導波部21の他端側には、端面が形成されるとともに再帰反射部24が設けられている。図1では光導波部21として平板状のものを示しているが、内部で光を全反射により伝搬させることができれば曲面形状であってもよい。 The optical waveguide 21 is a flat plate-shaped member made of a light-transmitting material, and guides light from one end to the other end by repeating total reflection at the interface with air. In addition, since light is transmitted from one surface of the optical waveguide 21 to the other surface, it is possible to view the direction of the external screen 30 through the optical waveguide 21 from the viewpoint 60. At one end of the optical waveguide 21, a light entrance section 22 that is a surface inclined with respect to the main surface is formed, and a diffraction grating section 10 is arranged. At the other end of the optical waveguide 21, an end face is formed and a retroreflection section 24 is provided. Although a flat plate-shaped optical waveguide 21 is shown in FIG. 1, it may be a curved shape as long as light can be propagated by total reflection inside.

光入射部22は、光導波部21の一端に形成された傾斜面であり、回折格子部10が隣接して配置され、本発明における第1光入射部に相当する部分である。光入射部22には、回折格子部10との光結合率を高めるために、反射防止膜や屈折率調整部を設けるとしてもよい。 The light entrance section 22 is an inclined surface formed at one end of the optical waveguide section 21, and is adjacent to the diffraction grating section 10, which corresponds to the first light entrance section in the present invention. The light entrance section 22 may be provided with an anti-reflection film or a refractive index adjustment section to increase the optical coupling rate with the diffraction grating section 10.

ビームスプリッター23は、一方の面から入射した光の一部を反射し残りを透過する光学要素であり、図1に示した例では光導波部21の内部において、主面に対して傾斜した平面として形成されている。ビームスプリッター23の具体的な構成は限定されず、公知の構造と設計方法を用いることができる。 The beam splitter 23 is an optical element that reflects a portion of the light incident on one side and transmits the remainder. In the example shown in FIG. 1, it is formed as a flat surface inclined with respect to the main surface inside the optical waveguide section 21. The specific configuration of the beam splitter 23 is not limited, and known structures and design methods can be used.

再帰反射部24は、入射した光を入射方向に対して集光性を保ったまま反射させる光学部材であり、反射膜の表面側に微小なガラスビーズを敷き詰めた構造やプリズムを用いた構造の再帰反射部を用いることができる。再帰反射部24では、光導波部21内を伝搬してきた光が入射すると、光の入射してきた方向に光を反射するため、光径が拡大して進行する光は、光径が縮小する光として反射される。 The retroreflective section 24 is an optical element that reflects incident light while maintaining its focusing ability in the direction of incidence, and can be a retroreflective section with a structure in which tiny glass beads are spread on the surface side of a reflective film or a structure using prisms. When light that has propagated through the optical waveguide section 21 is incident on the retroreflective section 24, the light is reflected in the direction in which it was incident, so that light that travels with an expanding light diameter is reflected as light with a shrinking light diameter.

後述するように、光導波部21においてビームスプリッター23が設けられた領域から再帰反射部24が設けられた端部までの間は、光導波部21内を伝搬してきた光を外部に照射する領域とされており、本発明における第1光出射部を構成している。 As described below, the area in the optical waveguide 21 between the area where the beam splitter 23 is provided and the end where the retroreflecting section 24 is provided is an area where the light propagating through the optical waveguide 21 is irradiated to the outside, and constitutes the first light emitting section in the present invention.

外部スクリーン30は、後述するように導光板部20から照射された光が投影されて画像を表示する部分である。外部スクリーン30を構成する材料は限定されず、光を透過する透光性材料を用いるとしてもよく、光を遮って反射する白色材料を用いるとしてもよい。透光性材料を用いた場合には、画像投影装置の外部環境を背景として画像の重ね合わせ投影をすることができる。図1に示した例では、外部スクリーン30とアーム部分を一体に形成して、アーム部分を導光板部20に固定することで、外部スクリーン30と導光板部20の相対的な位置関係を保つ例を示しているが、外部スクリーン30を画像投影装置とは別体に設けるとしてもよい。 The external screen 30 is a part on which light irradiated from the light guide plate unit 20 is projected to display an image, as described below. The material constituting the external screen 30 is not limited, and a light-transmitting material that transmits light may be used, or a white material that blocks and reflects light may be used. When a light-transmitting material is used, superimposed images can be projected with the external environment of the image projection device as the background. In the example shown in FIG. 1, the external screen 30 and the arm portion are integrally formed, and the arm portion is fixed to the light guide plate unit 20, thereby maintaining the relative positional relationship between the external screen 30 and the light guide plate unit 20, but the external screen 30 may be provided separately from the image projection device.

画像照射部40は、第1画像を投影するための第1光を回折格子部10に対して照射する装置であり、本発明における第1画像照射部に相当している。画像照射部40の具体的構成は限定されないが、図1に示した例では画像照射部40は、光源部41と、半波長板42と、偏光子43,44を備えている。画像照射部40はミラー45,46,47、バンドパスフィルター48を介して光を回折格子部10に照射する。光源部41はレーザ光源を用いることが好ましく、光源部41から照射されるレーザ光を図示しない画像形成部に照射して、第1画像を第1光に含ませる。画像形成部は液晶表示素子やデジタルミラーデバイス等の公知のものを用いることができ、画像照射部40の内部に設けるとしてもよく、回折格子部10までの光路上に配置するとしてもよい。画像照射部40に画像形成部である液晶表示素子またはデジタルミラーデバイスを備えることで、第1光に含まれる第1画像の内容を経時的に変化させて、動画を投影することも可能である。 The image irradiation unit 40 is a device that irradiates the diffraction grating unit 10 with the first light for projecting the first image, and corresponds to the first image irradiation unit in the present invention. The specific configuration of the image irradiation unit 40 is not limited, but in the example shown in FIG. 1, the image irradiation unit 40 includes a light source unit 41, a half-wave plate 42, and polarizers 43 and 44. The image irradiation unit 40 irradiates the diffraction grating unit 10 with light via mirrors 45, 46, and 47 and a bandpass filter 48. The light source unit 41 preferably uses a laser light source, and the laser light irradiated from the light source unit 41 is irradiated to an image forming unit (not shown) to include the first image in the first light. The image forming unit may be a known one such as a liquid crystal display element or a digital mirror device, and may be provided inside the image irradiation unit 40 or may be disposed on the optical path to the diffraction grating unit 10. By equipping the image projection unit 40 with a liquid crystal display element or digital mirror device as the image forming unit, it is also possible to change the content of the first image contained in the first light over time and project a moving image.

画像照射部50は、第2画像を投影するための第2光を回折格子部10に対して照射する装置であり、本発明における第2画像照射部に相当している。画像照射部50は画像照射部40とは別に設けられており、回折格子部10に対する第2光の入射角度は、画像照射部40が照射する第1光の入射角度とは異なっている。画像照射部50の具体的構成は限定されず、画像照射部40と同様な構成を用いることができるが、第1光と第2光の波長は異なっている。 The image irradiation unit 50 is a device that irradiates the diffraction grating unit 10 with the second light for projecting the second image, and corresponds to the second image irradiation unit in the present invention. The image irradiation unit 50 is provided separately from the image irradiation unit 40, and the angle of incidence of the second light on the diffraction grating unit 10 is different from the angle of incidence of the first light irradiated by the image irradiation unit 40. The specific configuration of the image irradiation unit 50 is not limited, and a configuration similar to that of the image irradiation unit 40 can be used, but the wavelengths of the first light and the second light are different.

次に図2および図3を用いて本実施形態の画像投影装置における画像投影について説明する。図3は、本実施形態に係る画像投影装置の第1光出射部を拡大して示す模式断面図である。図中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。 Next, image projection in the image projection device of this embodiment will be described with reference to Figures 2 and 3. Figure 3 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged view of the first light output section of the image projection device of this embodiment. The solid and dashed arrows in the figure show schematic diagrams of the path of light.

画像照射部40から照射された第1光は、ミラー45,46,47で反射されてバンドパスフィルター48を介して回折格子部10に到達する。回折格子部10では、第1光の入射角度に応じて0次光T1と+1次光I1が回折光として取り出され、光入射部22に入射する。回折格子部10から光入射部22に入射した第1光は、光導波部21内を全反射して導波光として伝搬する。ここで、回折格子部10から光入射部22に入射する第1光は、回折条件によって光入射部22への入射角度が決まるため、0次光T1、-1次光T2、+1次光I1および-2次光I2の何れか一つが光導波部21の両面での全反射条件を満たすように光入射部22の傾斜角度を設定しておく。 The first light irradiated from the image irradiation unit 40 is reflected by mirrors 45, 46, and 47 and reaches the diffraction grating unit 10 via the bandpass filter 48. In the diffraction grating unit 10, the zeroth order light T1 and the +1st order light I1 are extracted as diffracted light according to the incident angle of the first light, and are incident on the light incident unit 22. The first light incident on the light incident unit 22 from the diffraction grating unit 10 is totally reflected within the optical waveguide unit 21 and propagates as guided light. Here, the angle of incidence of the first light incident on the light incident unit 22 from the diffraction grating unit 10 to the light incident unit 22 is determined by the diffraction condition, so the inclination angle of the light incident unit 22 is set so that any one of the zeroth order light T1, -1st order light T2, +1st order light I1, and -2nd order light I2 satisfies the total reflection condition on both sides of the optical waveguide unit 21.

光導波部21内を全反射しながら導波光として伝搬した第1光は、一部がビームスプリッター23の一方の面で反射され、残りがビームスプリッター23を透過する。ビームスプリッター23で反射された導波光は照射光LEとして外部スクリーン30方向に取り出され、外部スクリーン30上に画像EXが投影される。ここで、ビームスプリッター23の一方の面での反射率を低く設計することで、照射光LEの強度を抑制して画像EXを視認できないようにすることも可能である。 The first light propagates as guided light while being totally reflected within the optical waveguide 21, and part of it is reflected by one surface of the beam splitter 23, while the remainder is transmitted through the beam splitter 23. The guided light reflected by the beam splitter 23 is extracted as the illumination light LE in the direction of the external screen 30, and the image EX is projected onto the external screen 30. Here, by designing the reflectance of one surface of the beam splitter 23 to be low, it is also possible to suppress the intensity of the illumination light LE and make the image EX invisible.

また、ビームスプリッター23を透過した導波光は、光導波部21で再度全反射されて再帰反射部24に到達して再帰反射される。再帰反射部24で再帰反射された導波光は、光導波部21内を逆方向に進行して、全反射された後にビームスプリッター23に到達して反射され、結像光L1として視点60方向に取り出される。このとき、光導波部21を伝搬してきた導波光は光径が拡大しているが、再帰反射部24で反射された導波光は光径が縮小して進行することになる。また、図2,3に示した例では再帰反射部24の反射面を凹面形状としているため、光径はさらに縮小されながらビームスプリッター23まで到達する。 The guided light that passes through the beam splitter 23 is again totally reflected by the optical waveguide 21 and reaches the retroreflection section 24 where it is retroreflected. The guided light retroreflected by the retroreflection section 24 travels in the opposite direction within the optical waveguide 21, is totally reflected, reaches the beam splitter 23 where it is reflected, and is extracted as imaging light L1 in the direction of the viewpoint 60. At this time, the optical diameter of the guided light that has propagated through the optical waveguide 21 is enlarged, but the optical diameter of the guided light reflected by the retroreflection section 24 is reduced as it travels. In the example shown in Figures 2 and 3, the reflective surface of the retroreflection section 24 is concave, so the optical diameter is further reduced as it reaches the beam splitter 23.

したがって、ビームスプリッター23で反射されて視点60方向に進行する結像光L1は、所定位置が焦点となり空中でエアリアルイメージA1が結像される。ここで再起反射部24を平坦面で形成した場合には、回折格子部10から再起反射部24までの光路長と、再起反射部24からエアリアルイメージA1までの光路長は同じとなる。エアリアルイメージA1を結像した後に、結像光L1は光径が拡大しながら視点60に入射する。これにより、視聴者は視点60から光導波部21および外部スクリーン30方向を見ることで、空中に結像されたエアリアルイメージA1と外部スクリーン30上に投影された画像EXを同時に視認することができる。 Therefore, the imaging light L1 reflected by the beam splitter 23 and traveling in the direction of the viewpoint 60 is focused at a predetermined position, and an aerial image A1 is formed in the air. If the retroreflecting section 24 is formed with a flat surface, the optical path length from the diffraction grating section 10 to the retroreflecting section 24 and the optical path length from the retroreflecting section 24 to the aerial image A1 will be the same. After forming the aerial image A1, the imaging light L1 enters the viewpoint 60 while expanding its light diameter. As a result, by looking in the direction of the optical waveguide section 21 and the external screen 30 from the viewpoint 60, the viewer can simultaneously view the aerial image A1 formed in the air and the image EX projected on the external screen 30.

図2,図3では、光導波部21の他端を凸形状に形成して、再帰反射部24を凹面形状としたものを示しているが、他端を平板形状や凹形状に形成して再帰反射部24を平板状や凸面形状としてもよい。再帰反射部24の形状と曲率を適切に設計することで、再帰反射部24で再帰反射された後の光径の縮小率を調整することができ、ビームスプリッター23で反射されてエアリアルイメージA1が結像される位置を微調整することができる。 2 and 3 show that the other end of the optical waveguide 21 is formed in a convex shape and the retroreflective section 24 is formed in a concave shape, but the other end may be formed in a flat or concave shape and the retroreflective section 24 may be formed in a flat or convex shape. By appropriately designing the shape and curvature of the retroreflective section 24, it is possible to adjust the reduction rate of the light diameter after retroreflection by the retroreflective section 24, and to fine-tune the position where the aerial image A1 is formed after reflection by the beam splitter 23.

また、光導波部21内を伝搬する導波光が、ビームスプリッター23から再帰反射部24に到達するまでに、少なくとも一度は空気との界面で全反射することが必要である。光学設計に応じて、界面での全反射回数を偶数回か奇数回のどちらかに選択することが好ましい。ビームスプリッター23と再帰反射部24の間で光が全反射される程度に両者の距離を確保することで、視点60からビームスプリッター23を介して外部スクリーン30方向を視認した際に、視界の中心近傍に再帰反射部24が位置することを防止できる。加えて、再帰反射部24は光を透過せず視認可能なため、視界の中心に再帰反射部24が位置するとエアリアルイメージA1の視認性が低下するため好ましくない。 In addition, the guided light propagating through the optical waveguide 21 must be totally reflected at the interface with air at least once before reaching the retroreflecting portion 24 from the beam splitter 23. It is preferable to select either an even number or an odd number of total reflections at the interface depending on the optical design. By ensuring a distance between the beam splitter 23 and the retroreflecting portion 24 that allows light to be totally reflected between them, it is possible to prevent the retroreflecting portion 24 from being located near the center of the field of view when the direction of the external screen 30 is viewed from the viewpoint 60 through the beam splitter 23. In addition, since the retroreflecting portion 24 does not transmit light and is visible, it is not preferable for the retroreflecting portion 24 to be located in the center of the field of view because this reduces the visibility of the aerial image A1.

また、回折格子部10で回折されて分岐された第1光のうち、光導波部21の両面での全反射条件を満たさないものは、光導波部21の外部スクリーン30側の面から外部に照射光LVとして取り出される。ここで、光導波部21のうち照射光LVが取り出される領域は、本発明における第2光出射部に相当している。第2光出射部から取り出された照射光LVは外部スクリーン30に到達して画像V1(図示省略)を投影する。 Furthermore, of the first light diffracted and branched by the diffraction grating section 10, that which does not satisfy the condition for total reflection on both sides of the optical waveguide section 21 is extracted as irradiation light LV to the outside from the surface of the optical waveguide section 21 facing the external screen 30. Here, the region of the optical waveguide section 21 from which the irradiation light LV is extracted corresponds to the second light output section in the present invention. The irradiation light LV extracted from the second light output section reaches the external screen 30 and projects an image V1 (not shown).

図2に示した例では、結像光L1の進行方向である視点方向と、照射光LVの進行方向である外部スクリーン方向が略平行とされている。これにより、外部スクリーン30と光導波部21との距離を変更しても、外部スクリーン30上での画像V1の投影位置が変化しない。したがって、視聴者が視点60から外部スクリーン30方向を視認した際に、エアリアルイメージA1が結像される位置と画像V1が投影される位置が重ならず、同一の視界内でエアリアルイメージA1と画像V1を並べて視認することが可能となる。ここでは視点方向と外部スクリーン方向を平行とした例を示したが、両者が所定の角度で交差する方向であってもよい。外部スクリーン30と光導波部21の距離を適切に設定することで、外部スクリーン30上での画像V1の投影位置を調整することができるため、エアリアルイメージA1と画像V1の位置関係を調整して視点60で視認することが可能となる。 2, the viewing direction, which is the traveling direction of the imaging light L1, and the external screen direction, which is the traveling direction of the irradiation light LV, are approximately parallel. As a result, even if the distance between the external screen 30 and the optical waveguide unit 21 is changed, the projection position of the image V1 on the external screen 30 does not change. Therefore, when the viewer views the external screen 30 direction from the viewing point 60, the position where the aerial image A1 is formed and the position where the image V1 is projected do not overlap, and it becomes possible to view the aerial image A1 and the image V1 side by side within the same field of view. Here, an example is shown in which the viewing direction and the external screen direction are parallel, but they may be directions in which they intersect at a predetermined angle. By appropriately setting the distance between the external screen 30 and the optical waveguide unit 21, the projection position of the image V1 on the external screen 30 can be adjusted, so that the positional relationship between the aerial image A1 and the image V1 can be adjusted and viewed at the viewing point 60.

画像照射部50から照射された第2光も、回折格子部10で回折された光の一部が光導波部21での全反射条件を満たすことで、第1光と同様に画像EXの投影とエアリアルイメージA1の結像を行うことができる。また、回折格子部10で回折された第2光のうち光導波部21での全反射条件を満たさないもので、画像V1の投影を行うこともできる。また、回折格子部10で回折された第2光が全て光導波部21での全反射条件を満たさないようにして、第2光では外部スクリーン30への画像V1の投影のみを行うとしてもよい。また、画像照射部50から照射された第2光を回折格子部10に入射させず、光導波部21の視点60に対向する面から入射させて外部スクリーン30に画像V1を直接投影するとしてもよい。この場合、画像V1を投影する照射光LVが透過する領域が、光導波部21における第2光出射部に相当する。 The second light irradiated from the image irradiation unit 50 can also project the image EX and form the aerial image A1 in the same manner as the first light, by a part of the light diffracted by the diffraction grating unit 10 satisfying the total reflection condition in the optical waveguide unit 21. In addition, the image V1 can be projected by the second light diffracted by the diffraction grating unit 10 that does not satisfy the total reflection condition in the optical waveguide unit 21. In addition, the second light diffracted by the diffraction grating unit 10 may not all satisfy the total reflection condition in the optical waveguide unit 21, and only the image V1 may be projected on the external screen 30 with the second light. In addition, the second light irradiated from the image irradiation unit 50 may not be incident on the diffraction grating unit 10, but may be incident on the surface of the optical waveguide unit 21 facing the viewpoint 60, and the image V1 may be directly projected on the external screen 30. In this case, the area through which the irradiation light LV for projecting the image V1 passes corresponds to the second light emission unit in the optical waveguide unit 21.

図4は、視点60位置にカメラを設置して、外部スクリーン30上に投影した画像EXと空中に結像したエアリアルイメージA1を撮像した写真であり、図4(a)は外部スクリーン30にカメラの焦点をあて、図4(b)はエアリアルイメージA1の結像位置にカメラの焦点をあてたものである。図4(a)(b)において、左側の写真は室内灯を点灯した明るい状態での見え方を示しており、右側の写真は室内灯を消灯した暗い状態での見え方を示している。写真中に白線の楕円で示した位置にそれぞれ画像EXおよびエアリアルイメージA1が写っている。図4(a)に示したように、画像EXは明るい環境では視認が困難であり暗い環境では視認可能となっている。また図4(b)に示したように、エアリアルイメージA1は明るい環境でも暗い環境でも視認可能となっている。また、エアリアルイメージA1と画像EXは同一視界において近接して視認可能であり、視聴者が視覚の焦点距離を調整するだけで視認する対象を選択することができる。 Figure 4 shows photographs taken by a camera installed at viewpoint 60, capturing image EX projected on external screen 30 and aerial image A1 formed in the air. In Figure 4(a), the camera is focused on external screen 30, and in Figure 4(b), the camera is focused on the position where aerial image A1 is formed. In Figures 4(a) and 4(b), the left photograph shows how the images are viewed in a bright state with the interior light turned on, and the right photograph shows how the images are viewed in a dark state with the interior light turned off. Image EX and aerial image A1 are captured at the positions indicated by white ellipses in the photographs. As shown in Figure 4(a), image EX is difficult to view in a bright environment, but is viewable in a dark environment. Also, as shown in Figure 4(b), aerial image A1 is viewable in both a bright environment and a dark environment. Also, aerial image A1 and image EX are viewable close to each other in the same field of view, and the viewer can select the object to view simply by adjusting the focal length of the view.

上述したように、本実施形態の画像投影装置では、ビームスプリッター23で第1光を分岐して外部スクリーン30に画像EXを投影するとともに、光導波部21の端部で再帰反射部24によって第1光を再帰反射し、ビームスプリッター23で視点方向に第1光を反射してエアリアルイメージA1を結像することができる。これにより、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、視認させることが可能となる。また、導光板部20の光入射部22に回折格子部10を設け、ビームスプリッター23と再帰反射部24を設けて第1光出射部を構成するため、複雑な光学設計や部品点数の増加が不要であり、小型化と軽量化を図ることが可能となる。 As described above, in the image projection device of this embodiment, the first light is split by the beam splitter 23 to project the image EX onto the external screen 30, and the first light is retroreflected by the retroreflection section 24 at the end of the optical waveguide section 21, and the beam splitter 23 reflects the first light in the direction of the viewpoint to form an aerial image A1. This makes it possible to project and visually recognize multiple images at positions with different distances from the viewpoint. In addition, since the diffraction grating section 10 is provided in the light entrance section 22 of the light guide plate section 20, and the beam splitter 23 and the retroreflection section 24 are provided to form the first light exit section, complex optical design and an increase in the number of parts are not required, making it possible to achieve a smaller size and lighter weight.

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図5、図6を用いて説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。図5は、本実施形態に係る画像投影装置の第1光出射部を拡大して示す模式断面図である。図中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。また、図中に斜線でハッチングを施した領域は照射光LVが照射される領域を示している。本実施形態の画像投影装置は、画像V1の投影位置のみが第1実施形態と異なっており、他の構成は第1実施形態で図1を用いて説明したものと同様である。本実施形態では、画像照射部50から照射される第2光を照射光LVとして、照射光LVの進行方向である外部スクリーン方向を視点方向と交差させて、画像EXと画像V1とを同じ領域に投影するものである。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5 and FIG. 6. The description of the contents overlapping with the first embodiment will be omitted. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged first light emitting section of the image projection device according to this embodiment. The solid line arrow and the dashed line arrow shown in the figure show the path of light. The area hatched with diagonal lines in the figure shows the area where the irradiation light LV is irradiated. The image projection device of this embodiment differs from the first embodiment only in the projection position of the image V1, and the other configurations are the same as those described in the first embodiment with reference to FIG. 1. In this embodiment, the second light irradiated from the image irradiation unit 50 is set as the irradiation light LV, and the external screen direction, which is the traveling direction of the irradiation light LV, is crossed with the viewing direction to project the image EX and the image V1 onto the same area.

図5に示すように、光導波部21の内部を全反射して伝搬する光は、ビームスプリッター23で分岐されて照射光LEとして画像EXを外部スクリーン30上に投影する。また、ビームスプリッター23を透過した光は光導波部21で再度全反射されて再帰反射部24に到達し、再帰反射された後にビームスプリッター23で反射された結像光L1としてエアリアルイメージA1を結像する。 As shown in FIG. 5, the light propagating through the optical waveguide 21 after total reflection is split by the beam splitter 23 and projected as irradiation light LE onto the external screen 30 as an image EX. The light transmitted through the beam splitter 23 is again totally reflected by the optical waveguide 21 and reaches the retroreflection section 24, where it is retroreflected and then reflected by the beam splitter 23 to form an aerial image A1 as imaging light L1.

また、第2光出射部から外部スクリーン30に投影される照射光LVの進行方向は、結像光L1の進行方向である視点方向とは交差する方向である。図5に示した例では、画像照射部50から照射された第2光は、回折格子部10に入射されず光導波部21を介して外部スクリーン30に照射光LVとして直接照射されており、画像V1が外部スクリーン30上に投影されている。 The direction of travel of the illumination light LV projected from the second light emitting unit onto the external screen 30 intersects with the viewing direction, which is the direction of travel of the imaging light L1. In the example shown in FIG. 5, the second light irradiated from the image irradiating unit 50 is not incident on the diffraction grating unit 10, but is directly irradiated as illumination light LV to the external screen 30 via the optical waveguide unit 21, and the image V1 is projected onto the external screen 30.

図6は、視点60位置にカメラを設置して、外部スクリーン30上に投影した画像EXおよび画像V1と、空中に結像したエアリアルイメージA1を撮像した写真であり、図6(a)は外部スクリーン30にカメラの焦点をあて、図6(b)はエアリアルイメージA1の結像位置にカメラの焦点をあてたものである。写真中に白線の楕円で示した位置にそれぞれ画像EXおよびエアリアルイメージA1が写っており、画像EXよりも大きな範囲に画像V1が写っている。図6(a)に示したように、画像EXは画像V1に重ね合わせて表示されており、同時に両者を視認することが可能である。また、視聴者は視覚の焦点距離を調整するだけで視認する対象を選択することができる。 Figure 6 shows photographs taken with a camera placed at viewpoint 60, capturing images EX and V1 projected onto external screen 30, and an aerial image A1 focused in the air; in Figure 6(a) the camera is focused on external screen 30, and in Figure 6(b) the camera is focused on the position where aerial image A1 is focused. Image EX and aerial image A1 are captured at the positions indicated by white ellipses in the photographs, and image V1 is captured over a larger area than image EX. As shown in Figure 6(a), image EX is displayed superimposed on image V1, making it possible to view both at the same time. Furthermore, the viewer can select the object to view simply by adjusting the focal length of their vision.

本実施形態では、第2光を照射光LVとして外部スクリーン30の広い範囲に画像V1を投影しているため、画像V1を背景画像としてエアリアルイメージA1と重ね合わせた画像投影を行うことができる。また、外部スクリーン30上に画像EXを投影することで、背景画像である画像V1と画像EXの投影位置は視点60からの距離が同じになり、視聴者は同時に異なる2つの画像V1,A1と画像EXを視認することができる。 In this embodiment, image V1 is projected over a wide area of the external screen 30 using the second light as the irradiation light LV, so that image projection can be performed in which image V1 is used as a background image and is superimposed on aerial image A1. In addition, by projecting image EX onto the external screen 30, the projection positions of image V1, which is the background image, and image EX are at the same distance from viewpoint 60, and the viewer can simultaneously view two different images V1, A1, and image EX.

(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について図7から図10を用いて説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、第1光出射部を構成するビームスプリッター23と再帰反射部24の間に、所定の反射率で導波光の一部を反射して残りを透過する部分反射部を設けた点が第1実施形態と異なっている。図7は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。
Third Embodiment
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 7 to Fig. 10. Description of the contents overlapping with the first embodiment will be omitted. This embodiment differs from the first embodiment in that a partial reflection section that reflects a part of the guided light with a predetermined reflectance and transmits the rest is provided between the beam splitter 23 and the retroreflection section 24 that constitute the first light output section. Fig. 7 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to this embodiment.

図7に示すように、画像投影装置は回折格子部10と、導光板部20と、外部スクリーン30と、画像照射部40,50とを備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、視点60の位置から導光板部20および外部スクリーン30方向を視認する。回折格子部10は、図1に示したように平板状部分11と、凸部12と凹部13と被覆部を備えた光学素子であり、導光板部20とは別体に形成されている。導光板部20は、透光性の材料で構成された板状の部材であり、光導波部21と、光入射部22と、ビームスプリッター23と、再帰反射部24と、部分反射部25を備えている。 As shown in FIG. 7, the image projection device includes a diffraction grating section 10, a light guide plate section 20, an external screen 30, and image projection sections 40 and 50. A viewer wearing the image projection device views the light guide plate section 20 and the external screen 30 from a viewpoint 60. As shown in FIG. 1, the diffraction grating section 10 is an optical element including a flat plate-like portion 11, a convex portion 12, a concave portion 13, and a covering portion, and is formed separately from the light guide plate section 20. The light guide plate section 20 is a plate-like member made of a light-transmitting material, and includes a light guide section 21, a light entrance section 22, a beam splitter 23, a retroreflection section 24, and a partial reflection section 25.

部分反射部25は、光の一部を所定の反射率で反射するとともに残りの光を透過する光学要素であり、ビームスプリッター23と再帰反射部24の間の光路上に設けられている。図7に示した例では、光導波部21の端部と再帰反射部24の間に部分反射部25を形成している。また図7では光導波部21の端部と再帰反射部24および部分反射部25を平坦形状とした例を示しているが、第1実施形態と同様に凸形状と凹面鏡としてもよく、凹形状と凸面鏡としてもよい。また、3次元形状のパラボラ凹凸形状の組み合わせとしてもよい。 The partial reflection section 25 is an optical element that reflects a portion of light at a predetermined reflectance and transmits the remaining light, and is provided on the optical path between the beam splitter 23 and the retroreflection section 24. In the example shown in FIG. 7, the partial reflection section 25 is formed between the end of the optical waveguide section 21 and the retroreflection section 24. Also, FIG. 7 shows an example in which the end of the optical waveguide section 21, the retroreflection section 24, and the partial reflection section 25 are flat, but as in the first embodiment, they may be a convex shape and a concave mirror, or a concave shape and a convex mirror. They may also be a combination of three-dimensional parabolic concave and convex shapes.

図8は、本実施形態に係る画像投影装置の第1光出射部を拡大して示す模式断面図である。図中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。また、図中に斜線でハッチングを施した領域は照射光LVが照射される領域を示している。第1実施形態と同様に、画像照射部40から照射された第1光または画像照射部50から照射された第2光は、光入射部22から光導波部21に入射して導波光として光導波部21で全反射されながら導波される。ビームスプリッター23で反射された導波光は、外部スクリーン30に対して照射光LEとして取り出され、外部スクリーン30上に画像EXを投影する。 Figure 8 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged view of the first light output section of the image projection device according to this embodiment. The solid and dashed arrows in the figure show the path of light. The hatched area in the figure shows the area where the irradiation light LV is irradiated. As in the first embodiment, the first light irradiated from the image irradiation section 40 or the second light irradiated from the image irradiation section 50 enters the optical waveguide section 21 from the light entrance section 22 and is guided as guided light while being totally reflected by the optical waveguide section 21. The guided light reflected by the beam splitter 23 is extracted as irradiation light LE for the external screen 30, and projects the image EX onto the external screen 30.

ビームスプリッター23を透過した導波光は、部分反射部25および再帰反射部24で反射された後にビームスプリッター23に再入射して反射され、結像光L1,L2として視点60方向に取り出される。このとき、部分反射部25で反射された光は正反射であるため、光導波部21内で光径が拡大しながら伝搬してきた導波光は、ビームスプリッター23で反射されて視点60に到達するまで光径が拡大しながら進行する。これにより、視点60では、光導波部21と外部スクリーン30との間の空間にエアリアルイメージA2が結像されているように視認される。 The guided light that passes through the beam splitter 23 is reflected by the partial reflection section 25 and the retroreflection section 24, then re-enters the beam splitter 23 and is reflected, and is extracted as imaging light L1, L2 in the direction of the viewpoint 60. At this time, since the light reflected by the partial reflection section 25 is specular reflection, the guided light that has been propagating within the optical waveguide section 21 while expanding in diameter continues to expand in diameter until it is reflected by the beam splitter 23 and reaches the viewpoint 60. As a result, at the viewpoint 60, it is visually recognized that an aerial image A2 is formed in the space between the optical waveguide section 21 and the external screen 30.

また、部分反射部25を透過した光は再帰反射部24に入射し、再帰反射部24では導波光が再帰反射され、ビームスプリッター23で反射されて視点60に到達するまで光径が縮小しながら進行する。これにより、視点60では、光導波部21と視点60との間の空間にエアリアルイメージA1が結像されているように視認される。また、第2光出射部から外部スクリーン30に投影される照射光LVの進行方向は、結像光L1、L2の進行方向である視点方向とは交差する方向であり、画像V1が外部スクリーン30上に投影されている。 The light that has passed through the partial reflection section 25 enters the retroreflection section 24, where the guided light is retroreflected and reflected by the beam splitter 23, traveling with its light diameter shrinking until it reaches the viewpoint 60. As a result, at the viewpoint 60, an aerial image A1 appears to be formed in the space between the optical waveguide section 21 and the viewpoint 60. The traveling direction of the illumination light LV projected from the second light emission section onto the external screen 30 intersects with the viewing direction, which is the traveling direction of the imaging light L1 and L2, and the image V1 is projected onto the external screen 30.

図9は、視点60位置にカメラを設置して、外部スクリーン30上に投影した画像EXおよび画像V1と、空中に結像したエアリアルイメージA1、A2を撮像した写真であり、図9(a)はエアリアルイメージA1の結像位置にカメラの焦点をあて、図9(b)はエアリアルイメージA2の結像位置にカメラの焦点をあて、図9(c)は外部スクリーン30にカメラの焦点をあてたものである。写真中に白線の楕円で示した位置にそれぞれエアリアルイメージA1、A2および画像EXが写っており、画像EXよりも大きな範囲に画像V1が写っている。 Figure 9 shows photographs taken with a camera placed at viewpoint 60, capturing images EX and V1 projected onto external screen 30, and aerial images A1 and A2 focused in the air; in Figure 9(a) the camera was focused on the position where aerial image A1 is focused, in Figure 9(b) the camera was focused on the position where aerial image A2 is focused, and in Figure 9(c) the camera was focused on external screen 30. Aerial images A1, A2 and image EX are captured at the positions indicated by white ellipses in the photographs, and image V1 is captured over a larger area than image EX.

図9(a)に示すように、光導波部21よりも視点60側に焦点をあてることで、エアリアルイメージA1を鮮明に写すことができる。また、図9(b)に示すように、光導波部21と外部スクリーン30の間に焦点をあてることで、エアリアルイメージA2を鮮明に写すことができる。また、図9(c)に示すように、外部スクリーン30に焦点をあてると、画像EXおよび画像V1を鮮明に写すことができる。また、エアリアルイメージA1、A2と画像EXおよび画像V1は同一視界において近接して視認可能であり、視聴者が視覚の焦点距離を調整するだけで視認する対象を選択することができる。 As shown in FIG. 9(a), by focusing on the viewpoint 60 side of the optical waveguide 21, aerial image A1 can be clearly projected. Also, as shown in FIG. 9(b), by focusing between the optical waveguide 21 and the external screen 30, aerial image A2 can be clearly projected. Also, as shown in FIG. 9(c), by focusing on the external screen 30, images EX and V1 can be clearly projected. Also, aerial images A1, A2 and images EX and V1 can be viewed closely in the same field of view, and the viewer can select the object to view simply by adjusting the visual focal length.

図10は、エアリアルイメージA1,A2のビームプロファイルを示す図であり、図10(a)は視点60位置から焦点を合わせた写真であり、図10(b)(c)は結像位置での三次元輝度プロファイルを示し、図10(d)はx方向での輝度プロファイルであり、図10(e)はy方向での輝度プロファイルである。図10(a)(b)は、それぞれ図9(a)(b)において白線で囲んだ領域を拡大して示している。図10(c)~図10(e)は、それぞれエアリアルイメージA1,A2の結像位置における輝度の測定結果を示している。図10中に示された「x direction」と「y direction」は、図9(c)中に示されたx軸方向とy軸方向を示している。 Figure 10 shows the beam profiles of aerial images A1 and A2, where Fig. 10(a) is a photograph focused from viewpoint 60, Figs. 10(b) and (c) show the three-dimensional luminance profile at the imaging position, Fig. 10(d) is the luminance profile in the x direction, and Fig. 10(e) is the luminance profile in the y direction. Figs. 10(a) and (b) show enlarged views of the areas surrounded by white lines in Figs. 9(a) and (b), respectively. Figs. 10(c) to 10(e) show the measurement results of the luminance at the imaging positions of aerial images A1 and A2, respectively. The "x direction" and "y direction" shown in Fig. 10 refer to the x-axis and y-axis directions shown in Fig. 9(c).

図10(a)~図10(c)に示したように、エアリアルイメージA1はx軸方向に長い楕円形状として結像され、エアリアルイメージA2はy軸方向に長い楕円形状として結像されている。また、図10(d)(e)に示したように、エアリアルイメージA1のx軸方向での半値幅は31ピクセル程度であり、y軸方向での半値幅は10ピクセル程度であった。また、エアリアルイメージA2のx軸方向での半値幅は20ピクセル程度であり、y軸方向での半値幅は25ピクセル程度であった。したがって、エアリアルイメージA1とA2は異なる形状に結像されており、視聴者が視覚の焦点距離を変更した際に視認される形状は、エアリアルイメージA1とA2で変化することになる。 As shown in Figures 10(a) to 10(c), aerial image A1 is formed as an ellipse elongated in the x-axis direction, and aerial image A2 is formed as an ellipse elongated in the y-axis direction. Also, as shown in Figures 10(d) and 10(e), the half-width of aerial image A1 in the x-axis direction is about 31 pixels, and the half-width in the y-axis direction is about 10 pixels. Also, the half-width of aerial image A2 in the x-axis direction is about 20 pixels, and the half-width in the y-axis direction is about 25 pixels. Therefore, aerial images A1 and A2 are formed in different shapes, and the shapes perceived by the viewer when they change the focal length of their vision will change between aerial images A1 and A2.

上述したように、本実施形態の画像投影装置では、光導波部21の端部において部分反射部25で正反射した導波光でエアリアルイメージA2を結像し、再帰反射部24によって再帰反射した導波光でエアリアルイメージA1を結像する。また、外部スクリーン30上には画像EXと画像V1を投影する。これにより、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、視認させることが可能となる。また、導光板部20の光入射部22に回折格子部10を設け、ビームスプリッター23と部分反射部25と再帰反射部24を設けて第1光出射部を構成するため、複雑な光学設計や部品点数の増加が不要であり、小型化と軽量化を図ることが可能となる。 As described above, in the image projection device of this embodiment, an aerial image A2 is formed by the guided light specularly reflected by the partial reflection section 25 at the end of the light guide section 21, and an aerial image A1 is formed by the guided light retroreflected by the retroreflection section 24. In addition, an image EX and an image V1 are projected onto an external screen 30. This makes it possible to project and visually recognize multiple images at positions at different distances from the viewpoint. In addition, a diffraction grating section 10 is provided at the light entrance section 22 of the light guide plate section 20, and the first light exit section is configured by providing a beam splitter 23, a partial reflection section 25, and a retroreflection section 24, so that a complex optical design or an increase in the number of parts is not necessary, and it is possible to achieve a smaller size and lighter weight.

(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態について図11を用いて説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。図11は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。本実施形態では、導光板部20を二つ備えて、それぞれの導光板部20に設けられた光入射部22に対向して共通の回折格子部10が配置されている。
Fourth Embodiment
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 11. Description of the contents overlapping with the first embodiment will be omitted. Fig. 11 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to this embodiment. In this embodiment, two light guide plate sections 20 are provided, and a common diffraction grating section 10 is arranged opposite the light entrance section 22 provided in each light guide plate section 20.

図11に示すように、画像投影装置は一つの回折格子部10と、二つの導光板部20と、外部スクリーン30と、画像照射部40,50とを備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、二つの視点60の位置から両眼で導光板部20および外部スクリーン30方向を視認する。回折格子部10は、図1に示したように平板状部分11と、凸部12と凹部13と被覆部を備えた光学素子であり、導光板部20とは別体に形成されている。導光板部20は、透光性の材料で構成された板状の部材であり、それぞれ光導波部21と、光入射部22と、ビームスプリッター23と、再帰反射部24を備えている。 As shown in FIG. 11, the image projection device includes one diffraction grating section 10, two light guide plate sections 20, an external screen 30, and image projection sections 40, 50. A viewer wearing the image projection device views the light guide plate section 20 and the external screen 30 with both eyes from two viewpoints 60. As shown in FIG. 1, the diffraction grating section 10 is an optical element that includes a flat plate-like portion 11, a convex portion 12, a concave portion 13, and a covering portion, and is formed separately from the light guide plate section 20. The light guide plate section 20 is a plate-like member made of a light-transmitting material, and includes a light guide section 21, a light entrance section 22, a beam splitter 23, and a retroreflection section 24.

二つの導光板部20は、互いの光入射部22が隣接して配置されており、共通の回折格子部10が二つの光入射部22に跨って対向して配置されている。また、一つの画像照射部40から回折格子部10に第1光が入射され、回折格子部10で回折された第1光がそれぞれの導光板部20における光入射部22から光導波部21内に入射する。二つの導光板部20はそれぞれ平板状であり、V字形状に配置されている。 The two light guide plate sections 20 are arranged so that their light entrance sections 22 are adjacent to each other, and a common diffraction grating section 10 is arranged facing each other across the two light entrance sections 22. In addition, a first light is incident on the diffraction grating section 10 from one image irradiation section 40, and the first light diffracted by the diffraction grating section 10 is incident on the light guide section 21 from the light entrance section 22 of each light guide plate section 20. The two light guide plate sections 20 are each flat and arranged in a V shape.

図1で示したように回折格子部10では、凸部12と凹部13で構成された凹凸部によって第1光が回折され、0次光T1と+1次光I1が図中右方向に進行し、-1次光T2と-2次光I2が図中左方向に進行する。したがって、回折格子部10の右半分に対向して配置された光導波部21には0次光T1と+1次光I1が入射し、回折格子部10の左半分に対向して配置された光導波部21には-1次光T2と-2次光I2が入射する。 As shown in FIG. 1, in the diffraction grating section 10, the first light is diffracted by the uneven portion formed by the convex portions 12 and concave portions 13, and the zeroth order light T1 and the +1st order light I1 travel to the right in the figure, and the -1st order light T2 and the -2nd order light I2 travel to the left in the figure. Therefore, the zeroth order light T1 and the +1st order light I1 are incident on the optical waveguide section 21 arranged opposite the right half of the diffraction grating section 10, and the -1st order light T2 and the -2nd order light I2 are incident on the optical waveguide section 21 arranged opposite the left half of the diffraction grating section 10.

図11に示した例では、+1次光I1が右側に配置された光導波部21の全反射条件を満たすように光入射部22の傾斜角度および光導波部21の形状を設計することで、+1次光I1が導波光として導波される。同様に、-2次光I2が左側に配置された光導波部21の全反射条件を満たすように光入射部22の傾斜角度および光導波部21の形状を設計することで、-2次光I2が導波光として導波される。 In the example shown in FIG. 11, the inclination angle of the light incident portion 22 and the shape of the light guiding portion 21 are designed so that the +1st order light I1 satisfies the total reflection condition of the light guiding portion 21 located on the right side, so that the +1st order light I1 is guided as guided light. Similarly, the inclination angle of the light incident portion 22 and the shape of the light guiding portion 21 are designed so that the -2nd order light I2 satisfies the total reflection condition of the light guiding portion 21 located on the left side, so that the -2nd order light I2 is guided as guided light.

二つの導光板部20内を導波された第1光(導波光)は、それぞれ他端側に設けられたビームスプリッター23と再帰反射部24で反射されて視点60方向に取り出されて、エアリアルイメージA1を結像する。図11では図示を省略したが、第3実施形態と同様に再帰反射部24とビームスプリッター23の間に部分反射部25を設けた場合には、光導波部21と外部スクリーン30との間にエアリアルイメージA2を結像することもできる。 The first light (guided light) guided through the two light guide plate sections 20 is reflected by the beam splitter 23 and the retroreflecting section 24 provided on the other end side, extracted in the direction of the viewpoint 60, and forms an aerial image A1. Although not shown in FIG. 11, if a partial reflecting section 25 is provided between the retroreflecting section 24 and the beam splitter 23 as in the third embodiment, an aerial image A2 can also be formed between the light guide section 21 and the external screen 30.

画像照射部50からは、導光板部20を介して外部スクリーン30に対して照射光LVを直接照射し、外部スクリーン30上の広い領域にわたって画像V1を投影することができる。図11では画像照射部50から照射される照射光LVが外部スクリーン30の左半分に投影された状態を示しているが、別途レンズ等の光学部材を用いることで、外部スクリーン30の全域に照射光LVを照射して、画像V1を外部スクリーン30全域に視界全体を覆うように投影することもできる。 The image projection unit 50 can project the image V1 over a wide area on the external screen 30 by projecting the projection light LV directly onto the external screen 30 via the light guide plate unit 20. In FIG. 11, the projection light LV projected from the image projection unit 50 onto the left half of the external screen 30 is shown, but by using a separate optical member such as a lens, the projection light LV can be projected onto the entire area of the external screen 30, so that the image V1 is projected onto the entire area of the external screen 30, covering the entire field of view.

上述したように本実施形態の画像投影装置では、二つの導光板部20に共通の回折格子部10を設けることで、視聴者の両眼に対してエアリアルイメージA1,A2の結像を視認させることができる。また、画像照射部50が照射する照射光LVで外部スクリーン30上に背景画像である画像V1を投影することで、画像V1にエアリアルイメージA1,A2を重ね合わせて投影することができる。また、本実施形態の画像投影装置でも、複雑な光学設計や部品点数の増加が不要であり、小型化と軽量化を図ることが可能となる。 As described above, in the image projection device of this embodiment, a common diffraction grating section 10 is provided on the two light guide plate sections 20, so that the image formation of aerial images A1 and A2 can be visually recognized by both eyes of the viewer. In addition, by projecting image V1, which is a background image, onto the external screen 30 with irradiation light LV irradiated by the image irradiation section 50, aerial images A1 and A2 can be projected superimposed on image V1. Furthermore, the image projection device of this embodiment does not require complicated optical design or an increase in the number of parts, making it possible to achieve a smaller size and lighter weight.

(第4実施形態の変形例)
次に、本発明の第4実施形態の変形例について図12を用いて説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。図12は、第4実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。本変形例では、導光板部20が曲面形状を有している点が第4実施形態と異なっている。
(Modification of the fourth embodiment)
Next, a modified example of the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 12. Description of the contents overlapping with the first embodiment will be omitted. Fig. 12 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to a modified example of the fourth embodiment. This modified example differs from the fourth embodiment in that the light guide plate section 20 has a curved shape.

図12に示した例では、0次光T1が右側に配置された光導波部21の全反射条件を満たすように光入射部22の傾斜角度および光導波部21の形状を設計することで、0次光T1が導波光として導波される。同様に、-1次光T2が左側に配置された光導波部21の全反射条件を満たすように光入射部22の傾斜角度および光導波部21の形状を設計することで、-1次光T2が導波光として導波される。本変形例でも、第4実施形態と同様に、二つの視点60位置から空中に結像されたエアリアルイメージA1,A2と、外部スクリーン30上に投影された画像V1を視認することができる。 In the example shown in FIG. 12, the inclination angle of the light entrance section 22 and the shape of the light guide section 21 are designed so that the zero-order light T1 satisfies the total reflection condition of the light guide section 21 arranged on the right side, and thus the zero-order light T1 is guided as guided light. Similarly, the inclination angle of the light entrance section 22 and the shape of the light guide section 21 are designed so that the -1-order light T2 satisfies the total reflection condition of the light guide section 21 arranged on the left side, and thus the -1-order light T2 is guided as guided light. In this modified example, as in the fourth embodiment, the aerial images A1 and A2 formed in the air from two viewpoints 60 and the image V1 projected on the external screen 30 can be viewed.

また、図12に示した例では、二つの導光板部20は視点60方向に沿った曲面形状を有しているが、回折格子部10から光入射部22への第1光の入射角度は回折条件によって決まるため、曲面に沿って全反射を繰り返すように導光板部20を設計することは可能である。また、図12では左右の導光板部20が線対象に近い形状で描かれているが、回折格子部10で回折された第1光のうち、どの光を導波光とするかで光入射部22の傾斜角度等を左右で異ならせるとしてもよい。 In the example shown in FIG. 12, the two light guide plate sections 20 have a curved shape along the direction of the viewpoint 60, but since the angle of incidence of the first light from the diffraction grating section 10 to the light entrance section 22 is determined by the diffraction conditions, it is possible to design the light guide plate section 20 so that total reflection is repeated along the curved surface. In addition, in FIG. 12, the left and right light guide plate sections 20 are drawn in a shape close to line symmetry, but the inclination angle of the light entrance section 22 on the left and right may be made different depending on which light of the first light diffracted by the diffraction grating section 10 is to be guided light.

本変形例では、光導波部21が曲面形状を有していることで、画像投影装置の設計自由度が向上し、意匠性向上や装着時の快適性向上を図ることができる。 In this modified example, the optical waveguide section 21 has a curved shape, which increases the design freedom of the image projection device, improving its design and comfort when worn.

(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態について図13、図14を用いて説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。図13は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図13に示すように、画像投影装置は回折格子部10と、導光板部20と、外部スクリーン30と、画像照射部40,50とを備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、視点60の位置から導光板部20および外部スクリーン30方向を視認する。
Fifth Embodiment
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. 13 and 14. Description of the contents overlapping with the first embodiment will be omitted. Fig. 13 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to this embodiment. As shown in Fig. 13, the image projection device includes a diffraction grating unit 10, a light guide plate unit 20, an external screen 30, and image projection units 40 and 50. A viewer wearing the image projection device visually recognizes the direction of the light guide plate unit 20 and the external screen 30 from the position of a viewpoint 60.

回折格子部10は、図1に示したように平板状部分11と、凸部12と凹部13と被覆部を備えた光学素子であり、導光板部20とは別体に形成されている。導光板部20は、透光性の材料で構成された板状の部材であり、光導波部21と、光入射部22と、ビームスプリッター23と、再帰反射部24と、部分反射部25と、光フィルター26を備えている。また、画像照射部50からの第2光が取り出される第2光出射部には、光フィルター61と光シャッター部62と投影レンズ63が設けられている。 As shown in FIG. 1, the diffraction grating section 10 is an optical element having a flat portion 11, a convex portion 12, a concave portion 13, and a covering portion, and is formed separately from the light guide plate section 20. The light guide plate section 20 is a plate-shaped member made of a light-transmitting material, and includes a light guide section 21, a light entrance section 22, a beam splitter 23, a retroreflection section 24, a partial reflection section 25, and an optical filter 26. In addition, an optical filter 61, an optical shutter section 62, and a projection lens 63 are provided in the second light exit section from which the second light from the image irradiation section 50 is extracted.

光フィルター26、61は、所定波長範囲の光を透過しその他の波長の光を遮る光学部材である。本実施形態では、光フィルター26として第2光の波長を遮り第1光の波長を透過するバンドパスフィルターあるいはそれに相当する光フィルターを用い、光フィルター61として第1光の波長を遮り第2光の波長を透過するバンドパスフィルターあるいはそれに相当する光フィルターを用いる。一例としては、画像照射部40が照射する第1光は赤色光であり、画像照射部50が照射する第2光は緑色光である。したがって、光フィルター26はロングパスフィルターを用い、光フィルター61はショートパスフィルターを用いるとしてもよい。 The optical filters 26 and 61 are optical components that transmit light in a predetermined wavelength range and block light of other wavelengths. In this embodiment, a bandpass filter or an equivalent optical filter that blocks the wavelength of the second light and transmits the wavelength of the first light is used as the optical filter 26, and a bandpass filter or an equivalent optical filter that blocks the wavelength of the first light and transmits the wavelength of the second light is used as the optical filter 61. As an example, the first light irradiated by the image irradiation unit 40 is red light, and the second light irradiated by the image irradiation unit 50 is green light. Therefore, the optical filter 26 may be a longpass filter, and the optical filter 61 may be a shortpass filter.

光シャッター部62は、制御部(図示省略)によって駆動制御され、光の透過と遮断を切り替える光学部材である。光シャッター部62の具体的構成は限定されず、公知の液晶シャッター等を用いることができる。投影レンズ63は第2光出射部から取り出された照射光LVの光径を拡大して、外部スクリーン30に対して投影するための光学部材である。図13では投影レンズ63として一つのレンズを示しているが、複数のレンズを組み合わせて投影レンズ63を構成するとしてもよい。 The optical shutter unit 62 is an optical element that is driven and controlled by a control unit (not shown) to switch between transmitting and blocking light. The specific configuration of the optical shutter unit 62 is not limited, and a known liquid crystal shutter or the like can be used. The projection lens 63 is an optical element that expands the light diameter of the irradiation light LV extracted from the second light emitting unit and projects it onto the external screen 30. Although one lens is shown as the projection lens 63 in FIG. 13, the projection lens 63 may be formed by combining multiple lenses.

画像照射部40から照射された第1光は、回折格子部10で回折された光の一部が光入射部22から入射し、光導波部21内を全反射して導波光として導波される。第1光の導波光は全反射しながらビームスプリッター23まで到達し、一部が反射されて外部スクリーン30に画像EXが投影される。第1光の導波光のうちビームスプリッター23を透過した光は再度全反射されて光導波部21の端部にまで到達する。 A portion of the first light irradiated from the image irradiation unit 40 is diffracted by the diffraction grating unit 10 and enters the light entrance unit 22, where it is totally reflected within the optical waveguide unit 21 and guided as guided light. The guided light of the first light reaches the beam splitter 23 while being totally reflected, and a portion of it is reflected to project the image EX onto the external screen 30. Of the guided light of the first light, the light that passes through the beam splitter 23 is totally reflected again and reaches the end of the optical waveguide unit 21.

光導波部21の端部にまで到達した第1光の導波光は、光フィルター26を透過して部分反射部25に入射し、一部が正反射されて残りは透過して再帰反射部24に到達する。再帰反射部24では導波光が再帰反射される。再帰反射部24で再帰反射された第1光は、第1実施形態で述べたように視点60と光導波部21の間の空中にエアリアルイメージA1として結像される。また、部分反射部25で正反射された光は光導波部21と外部スクリーン30の間の空中にエアリアルイメージA2として結像される。 The guided light of the first light that reaches the end of the optical waveguide 21 passes through the optical filter 26 and enters the partial reflection section 25, where a portion is specularly reflected and the remainder is transmitted and reaches the retroreflection section 24. The guided light is retroreflected in the retroreflection section 24. The first light that is retroreflected in the retroreflection section 24 is focused as an aerial image A1 in the air between the viewpoint 60 and the optical waveguide 21, as described in the first embodiment. The light that is specularly reflected in the partial reflection section 25 is focused as an aerial image A2 in the air between the optical waveguide 21 and the external screen 30.

第1光のうち光導波部21での全反射条件を満たさない光は、第2光出射部から外部スクリーン30方向に取り出されるが、第2光出射部には光フィルター61が設けられているため、第1光は光フィルター61で遮られて外部スクリーン30には投影されない。 The first light that does not satisfy the total reflection condition in the optical waveguide section 21 is extracted from the second light output section toward the external screen 30. However, since the second light output section is provided with an optical filter 61, the first light is blocked by the optical filter 61 and is not projected onto the external screen 30.

画像照射部50から照射された第2光は、回折格子部10で回折された光の一部が光入射部22から入射し、光導波部21内を全反射して導波光として導波される。このとき、第2光の回折格子部10に対する入射角度を第1光の入射角度とは異ならせて、適切な回折条件となる入射角度を選択することで、第1光と第2光の光導波部21への入射角度を同じに設定することができる。また、第1光と第2光の回折格子部10への入射位置も同じとすると、光導波部21内を全反射して導波する第1光と第2光の経路を同じにすることができる。 The second light irradiated from the image irradiation unit 50 is diffracted by the diffraction grating unit 10 and enters the light entrance unit 22, where a portion of the light is totally reflected within the optical waveguide unit 21 and guided as guided light. At this time, the angle of incidence of the second light on the diffraction grating unit 10 can be set to be different from the angle of incidence of the first light, and an angle of incidence that provides appropriate diffraction conditions can be selected, so that the angles of incidence of the first light and the second light on the optical waveguide unit 21 can be set to be the same. In addition, if the positions of incidence of the first light and the second light on the diffraction grating unit 10 are also the same, the paths of the first light and the second light that are totally reflected and guided within the optical waveguide unit 21 can be made the same.

第2光の導波光も全反射しながらビームスプリッター23まで到達し、一部が反射されて外部スクリーン30に画像EXが投影される。第2光の導波光のうちビームスプリッター23を透過した光は再度全反射されて光導波部21の端部にまで到達する。光導波部21の端部にまで到達した第2光の導波光は、光フィルター26によって遮られ、部分反射部25および再帰反射部24には到達しない。したがって、ビームスプリッター23にまで反射して戻る第2光が無くなり、第2光によってはエアリアルイメージA1,A2は結像されない。 The guided light of the second light also reaches the beam splitter 23 while being totally reflected, and a portion of it is reflected and image EX is projected onto the external screen 30. Of the guided light of the second light, the light that passes through the beam splitter 23 is totally reflected again and reaches the end of the optical waveguide section 21. The guided light of the second light that reaches the end of the optical waveguide section 21 is blocked by the optical filter 26 and does not reach the partial reflection section 25 or the retroreflection section 24. Therefore, there is no second light that is reflected back to the beam splitter 23, and aerial images A1 and A2 are not formed by the second light.

第2光のうち光導波部21での全反射条件を満たさない光は、第2光出射部から外部スクリーン30方向に取り出され、光シャッター部62が透過状態の場合には、投影レンズ63を介して外部スクリーン30に照射光LVが照射されて画像V1が投影される。光シャッター部62が遮断状態の場合には、第2光の照射光LVが遮られて画像V1は投影されない。 The second light that does not satisfy the total reflection condition in the optical waveguide section 21 is extracted from the second light exit section toward the external screen 30, and when the optical shutter section 62 is in a transmitting state, the irradiated light LV is irradiated onto the external screen 30 via the projection lens 63, and the image V1 is projected. When the optical shutter section 62 is in a blocking state, the irradiated light LV of the second light is blocked, and the image V1 is not projected.

上述したように本実施形態では、光フィルター26をビームスプリッター23と再帰反射部24の間に設けていることで、第1光のみでエアリアルイメージA1,A2を結像させることができる。また、光フィルター61を第2光出射部に設けていることで、第2光のみで外部スクリーン30に画像V1を投影することができる。したがって、画像照射部40から照射された第1光で結像されるエアリアルイメージA1,A2の内容と、画像照射部50から照射された第2光で投影される画像V1の内容を異ならせることで、多彩な画像投影を実現することができる。 As described above, in this embodiment, the optical filter 26 is provided between the beam splitter 23 and the retroreflection section 24, so that the aerial images A1 and A2 can be formed using only the first light. Furthermore, the optical filter 61 is provided in the second light emission section, so that the image V1 can be projected onto the external screen 30 using only the second light. Therefore, by differentiating the contents of the aerial images A1 and A2 formed using the first light irradiated from the image irradiation section 40 from the contents of the image V1 projected using the second light irradiated from the image irradiation section 50, a variety of image projections can be realized.

また、画像照射部40に焦点距離を可変としたレンズ光学部を含ませて、回折格子部10に入射する第1光の拡がり角を調整することで、エアリアルイメージA1,A2の結像効率を変化させることもできる。 In addition, the image projection unit 40 can include a lens optical unit with a variable focal length to adjust the spread angle of the first light incident on the diffraction grating unit 10, thereby changing the imaging efficiency of the aerial images A1 and A2.

(第5実施形態の変形例)
次に、本発明の第5実施形態の変形例について図14を用いて説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。図14は、第5実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図14に示すように、画像投影装置は回折格子部10と、導光板部20と、外部スクリーン30と、画像照射部40a,40b,50とを備えている。
(Modification of the fifth embodiment)
Next, a modified example of the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 14. Descriptions of contents overlapping with the first embodiment will be omitted. FIG. 14 is a schematic diagram showing the structure of an image projection device according to a modified example of the fifth embodiment. As shown in FIG. 14, the image projection device includes a diffraction grating unit 10, a light guide plate unit 20, an external screen 30, and image projection units 40a, 40b, and 50.

本変形例では、画像照射部40aからは第1画像を含んだ第1波長の第1光が照射され、画像照射部40bからは第2画像を含んだ第2波長の第2光が照射され、画像照射部50からは第3画像を含んだ第3波長の第3光が照射される。一例としては、第1波長は赤色光であり、第2波長は青色光であり、第3波長は緑色光である。また本変形例では、光フィルター26として第3波長を遮り第1波長と第2波長を透過するノッチフィルターを用い、光フィルター61として第1波長と第2波長を遮り第3波長を透過するバンドパスフィルターを用いる。また本変形例では、部分反射部25として第1波長を反射し第2波長を透過するダイクロイックミラー(選択反射部)を用いる。 In this modified example, the image irradiation unit 40a irradiates a first light of a first wavelength including a first image, the image irradiation unit 40b irradiates a second light of a second wavelength including a second image, and the image irradiation unit 50 irradiates a third light of a third wavelength including a third image. As an example, the first wavelength is red light, the second wavelength is blue light, and the third wavelength is green light. In this modified example, a notch filter that blocks the third wavelength and transmits the first and second wavelengths is used as the optical filter 26, and a bandpass filter that blocks the first and second wavelengths and transmits the third wavelength is used as the optical filter 61. In this modified example, a dichroic mirror (selective reflection unit) that reflects the first wavelength and transmits the second wavelength is used as the partial reflection unit 25.

画像照射部40a,40b,50から回折格子部10に照射される第1光、第2光、第3光の入射角は、適切な回折条件を満たすように選択されており、回折格子部10から光導波部21に入射する光は同じ経路で全反射して光導波部21内を伝搬する。 The angles of incidence of the first light, second light, and third light irradiated from the image irradiation units 40a, 40b, and 50 to the diffraction grating unit 10 are selected to satisfy appropriate diffraction conditions, and the light incident on the optical waveguide unit 21 from the diffraction grating unit 10 is totally reflected along the same path and propagates within the optical waveguide unit 21.

画像照射部40a,40bから照射された第1光と第2光は、回折格子部10で回折された光の一部が光入射部22から入射し、光導波部21内を全反射して導波光として導波される。第1光および第2光の導波光は、全反射しながらビームスプリッター23まで到達し、一部が反射されて外部スクリーン30に画像EXが投影される。第1光および第2光の導波光のうちビームスプリッター23を透過した光は、再度全反射されて光導波部21の端部にまで到達する。 Of the first and second lights irradiated from the image irradiation units 40a and 40b, a portion of the light diffracted by the diffraction grating unit 10 enters the light entrance unit 22 and is totally reflected within the optical waveguide unit 21 and guided as guided light. The guided light of the first and second lights reaches the beam splitter 23 while being totally reflected, and a portion of it is reflected to project the image EX onto the external screen 30. Of the guided light of the first and second lights, the light that passes through the beam splitter 23 is totally reflected again and reaches the end of the optical waveguide unit 21.

光導波部21の端部にまで到達した第1光の導波光は、光フィルター26を透過して部分反射部25に入射して正反射される。部分反射部25で正反射された第1光は、光導波部21と外部スクリーン30の間の空中にエアリアルイメージA2として結像される。また、光導波部21の端部にまで到達した第2光の導波光は、光フィルター26と部分反射部25を透過して再帰反射部24に入射して再帰反射される。再帰反射部24で再帰反射された第2光は、第1実施形態で述べたように視点60と光導波部21の間の空中にエアリアルイメージA1として結像される。 The guided light of the first light that reaches the end of the optical waveguide 21 passes through the optical filter 26, enters the partial reflector 25, and is specularly reflected. The first light specularly reflected by the partial reflector 25 is focused as an aerial image A2 in the air between the optical waveguide 21 and the external screen 30. The guided light of the second light that reaches the end of the optical waveguide 21 passes through the optical filter 26 and the partial reflector 25, enters the retroreflector 24, and is retroreflected. The second light retroreflected by the retroreflector 24 is focused as an aerial image A1 in the air between the viewpoint 60 and the optical waveguide 21, as described in the first embodiment.

第1光および第2光のうち光導波部21での全反射条件を満たさない光は、第2光出射部から外部スクリーン30方向に取り出されるが、第2光出射部には光フィルター61が設けられているため、第1光および第2光は光フィルター61で遮られて外部スクリーン30には投影されない。 The first light and the second light that do not satisfy the total reflection condition in the optical waveguide section 21 are extracted from the second light output section toward the external screen 30. However, since the second light output section is provided with an optical filter 61, the first light and the second light are blocked by the optical filter 61 and are not projected onto the external screen 30.

画像照射部50から照射された第3光は、回折格子部10で回折された光の一部が光入射部22から入射し、光導波部21内を全反射して導波光として導波される。第3光の導波光も全反射しながらビームスプリッター23まで到達し、一部が反射されて外部スクリーン30に画像EXが投影される。第3光の導波光のうちビームスプリッター23を透過した光は再度全反射されて光導波部21の端部にまで到達する。 Of the third light irradiated from the image irradiation unit 50, a portion of the light diffracted by the diffraction grating unit 10 enters the light entrance unit 22 and is totally reflected within the optical waveguide unit 21 and guided as guided light. The guided light of the third light also undergoes total reflection as it reaches the beam splitter 23, where a portion of it is reflected and the image EX is projected onto the external screen 30. Of the guided light of the third light, the light that passes through the beam splitter 23 is totally reflected again and reaches the end of the optical waveguide unit 21.

光導波部21の端部にまで到達した第3光の導波光は、光フィルター26によって遮られ、部分反射部25および再帰反射部24には到達しない。したがって、ビームスプリッター23にまで反射して戻る第3光が無くなり、第3光によってはエアリアルイメージA1,A2は結像されない。 The guided third light that reaches the end of the optical waveguide 21 is blocked by the optical filter 26 and does not reach the partial reflection section 25 or the retroreflection section 24. Therefore, there is no third light that is reflected back to the beam splitter 23, and the aerial images A1 and A2 are not formed by the third light.

第3光のうち光導波部21での全反射条件を満たさない光は、第2光出射部から外部スクリーン30方向に取り出され、光シャッター部62が透過状態の場合には、投影レンズ63を介して外部スクリーン30に照射光LVが照射されて画像V1が投影される。光シャッター部62が遮断状態の場合には、第2光の照射光LVが遮られて画像V1は投影されない。 The third light that does not satisfy the total reflection condition in the optical waveguide section 21 is extracted from the second light output section toward the external screen 30, and when the optical shutter section 62 is in a transmitting state, the irradiated light LV is irradiated onto the external screen 30 via the projection lens 63, and the image V1 is projected. When the optical shutter section 62 is in a blocking state, the irradiated light LV of the second light is blocked, and the image V1 is not projected.

上述したように本実施形態では、光フィルター26をビームスプリッター23と再帰反射部24の間に設けていることで、第1光と第2光それぞれでエアリアルイメージA1,A2を結像させることができる。また、光フィルター61を第2光出射部に設けていることで、第3光のみで外部スクリーン30に画像V1を投影することができる。したがって、画像照射部40から照射された第1光と第2光で結像されるエアリアルイメージA1,A2の内容と、画像照射部50から照射された第3光で投影される画像V1の内容を異ならせることで、多彩な画像投影を実現することができる。 As described above, in this embodiment, the optical filter 26 is provided between the beam splitter 23 and the retroreflection section 24, so that the aerial images A1 and A2 can be formed using the first light and the second light, respectively. In addition, the optical filter 61 is provided in the second light output section, so that the image V1 can be projected onto the external screen 30 using only the third light. Therefore, by differentiating the contents of the aerial images A1 and A2 formed using the first light and the second light irradiated from the image irradiation section 40 from the contents of the image V1 projected using the third light irradiated from the image irradiation section 50, a variety of image projections can be realized.

(第6実施形態)
次に、本発明の第6実施形態について図15を用いて説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。図15は、本実施形態における再帰反射部24の構造例を示す模式図である。図15に示すように、再帰反射部24は、シート部24a上に選択的にマイクロビーズが形成されており、マイクロビーズが形成された再帰反射領域24bと、シート部24aが露出した正反射領域24cが混在して形成されている。
Sixth Embodiment
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 15. Descriptions of contents overlapping with the first embodiment will be omitted. Fig. 15 is a schematic diagram showing a structural example of the retroreflective portion 24 in this embodiment. As shown in Fig. 15, the retroreflective portion 24 has microbeads selectively formed on a sheet portion 24a, and is formed by mixing a retroreflective region 24b where the microbeads are formed and a regular reflection region 24c where the sheet portion 24a is exposed.

シート部24aは、表面が反射面として形成された薄板状の部材である。シート部24aは可撓性を有していることが好ましく、可撓性を有することで図15(a)に示した平板状や図15(b)に示した凹面鏡、図15(c)に示した凸面鏡の形状をとることができる。 The sheet portion 24a is a thin plate-like member whose surface is formed as a reflective surface. The sheet portion 24a is preferably flexible, and by being flexible, it can take the shape of a flat plate as shown in FIG. 15(a), a concave mirror as shown in FIG. 15(b), or a convex mirror as shown in FIG. 15(c).

再帰反射領域24bは、シート部24a表面にマイクロビーズが形成された領域であり、再帰反射領域24bに入射した光はマイクロビーズ内で反射されることで入射してきた方向に再帰反射される。正反射領域24cにはマイクロビーズが形成されておらず、シート部24aの反射面が露出しているため、正反射領域24cに入射した光はシート部24aの反射面で正反射される。 The retroreflective area 24b is an area where microbeads are formed on the surface of the sheet portion 24a, and light that is incident on the retroreflective area 24b is reflected within the microbeads and is retroreflected in the direction from which it was incident. No microbeads are formed in the specular reflection area 24c, and the reflective surface of the sheet portion 24a is exposed, so that light that is incident on the specular reflection area 24c is specularly reflected by the reflective surface of the sheet portion 24a.

本実施例の再帰反射部24は、フォトリソグラフィー技術を用いてシート部24aの正反射領域24c上にマスクを形成し、マスクが形成されていない領域にマイクロビーズを堆積させることで再帰反射領域24bを形成する方法等で形成することができる。マイクロビーズの堆積後にはマスク層を除去して正反射領域24cでシート部24aの反射面を露出させる。 The retroreflective portion 24 in this embodiment can be formed by a method such as forming a mask on the regular reflection region 24c of the sheet portion 24a using photolithography technology, and depositing microbeads in the areas where the mask is not formed to form the retroreflective region 24b. After depositing the microbeads, the mask layer is removed to expose the reflective surface of the sheet portion 24a in the regular reflection region 24c.

図15(a)~図15(c)に示したように、光径が拡大しながら再帰反射部24に入射した光の一部は、再帰反射領域24bで光が結像光L1として再帰反射され、光径が縮小して反射される。また、正反射領域24cでは光が結像光L2として再帰反射され、光径が拡大して反射される。ここで、図15(a)~図15(c)に示したように再帰反射部24が平板状であるか、凹面鏡であるか、凸面鏡であるかによって、結像光L1,L2の光径の拡大率と縮小率を調整することが可能である。 As shown in Figures 15(a) to 15(c), a portion of the light that enters the retroreflective portion 24 while its light diameter is expanding is retroreflected in the retroreflective region 24b as imaging light L1, and is reflected with a reduced light diameter. In addition, in the regular reflection region 24c, the light is retroreflected as imaging light L2, and is reflected with an expanded light diameter. Here, as shown in Figures 15(a) to 15(c), it is possible to adjust the expansion and reduction rates of the light diameters of the imaging light L1 and L2 depending on whether the retroreflective portion 24 is a flat plate, a concave mirror, or a convex mirror.

本実施形態の再帰反射部24を用いることで、光導波部21の端部にまで到達した導波光を部分的に再反射し残りを正反射して、第3実施形態において図8に示したものと同様にエアリアルイメージA1,A2を結像することができる。第3実施形態との違いは、先に記載したようにシート部24aが薄板状の部材であり可撓性を有する点である。それに加えて、シート部24a表面でのマイクロビーズの配列や純度などを調整することで、再起反射効率を設計することもできる。また、シート部24aの表面に金属薄膜を蒸着することで、反射と再帰反射を混在させた反射再帰反射素子あるいは再帰反射型光フィルターを構成することもできる。シート部24aにこれらの構造を用いることで、光学設計の自由度向上や意匠性の向上を図ることができる。 By using the retroreflection section 24 of this embodiment, the guided light that reaches the end of the optical waveguide section 21 is partially reflected again and the remainder is specularly reflected, so that aerial images A1 and A2 can be formed in the same manner as in the third embodiment shown in FIG. 8. The difference from the third embodiment is that the sheet section 24a is a thin plate-like member and has flexibility, as described above. In addition, the retroreflection efficiency can be designed by adjusting the arrangement and purity of the microbeads on the surface of the sheet section 24a. In addition, a reflective retroreflection element or a retroreflection type optical filter that combines reflection and retroreflection can be configured by evaporating a thin metal film on the surface of the sheet section 24a. By using these structures in the sheet section 24a, the degree of freedom of optical design and the design can be improved.

(第7実施形態)
次に、本発明の第7実施形態について説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。第1実施形態から第6実施形態までは、画像照射部40から照射された第1光をそのままの波長で画像EX、画像V1の投影およびエアリアルイメージA1,A2の結像に用いていた。しかし、第1光出射部または第2光出射部に第1光の波長を変換する波長変換部材を設けることで、画像照射部40から照射された光と異なる色で画像EX、画像V1の投影およびエアリアルイメージA1,A2の結像を行うとしてもよい。
Seventh Embodiment
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. Descriptions of contents overlapping with the first embodiment will be omitted. In the first to sixth embodiments, the first light irradiated from the image irradiating unit 40 is used for projecting the image EX and the image V1 and for forming the aerial images A1 and A2 with its original wavelength. However, by providing a wavelength conversion member that converts the wavelength of the first light in the first light emitting unit or the second light emitting unit, the image EX and the image V1 may be projected and the aerial images A1 and A2 may be formed with a color different from that of the light irradiated from the image irradiating unit 40.

(第8実施形態)
次に、本発明の第8実施形態について説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。第1実施形態から第7実施形態までは、回折格子部10として周期的な凹凸部を備えたグレーティングを用いていた。しかし、回折格子部10の凹凸部が周期構造である必要はなく、少なくとも二つの方向に光を回折することができれば、ホログラフィックグレーティング構造であってもよい。また、回折格子部10を導光板部20と別体に形成した例を示したが、光導波部21内部や光入射部22の表面に回折格子部10を形成するとしてもよい。
Eighth embodiment
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described. The description of the contents overlapping with the first embodiment will be omitted. In the first to seventh embodiments, a grating having periodic unevenness is used as the diffraction grating section 10. However, the unevenness of the diffraction grating section 10 does not need to have a periodic structure, and may have a holographic grating structure as long as it can diffract light in at least two directions. In addition, although an example in which the diffraction grating section 10 is formed separately from the light guide plate section 20 has been shown, the diffraction grating section 10 may be formed inside the light guide section 21 or on the surface of the light entrance section 22.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims. The technical scope of the present invention also includes embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments.

10…回折格子部
20…導光板部
30…外部スクリーン
40,40a,40b,50…画像照射部
60…視点
11…平板状部分
12…凸部
13…凹部
21…光導波部
22…光入射部
23…ビームスプリッター
24…再帰反射部
24a…シート部
24b…再帰反射領域
24c…正反射領域
25…部分反射部
26…光フィルター
41…光源部
42…半波長板
43…偏光子
45,46,47…ミラー
48…バンドパスフィルター
61…光フィルター
62…光シャッター部
63…投影レンズ
A1,A2…エアリアルイメージ
V1,EX…画像


10... Diffraction grating section 20... Light guide plate section 30... External screen 40, 40a, 40b, 50... Image irradiation section 60... Viewpoint 11... Flat plate-like section 12... Convex section 13... Concave section 21... Light guide section 22... Light entrance section 23... Beam splitter 24... Retroreflection section 24a... Sheet section 24b... Retroreflection area 24c... Regular reflection area 25... Partial reflection section 26... Optical filter 41... Light source section 42... Half-wave plate 43... Polarizer 45, 46, 47... Mirror 48... Bandpass filter 61... Optical filter 62... Optical shutter section 63... Projection lens A1, A2... Aerial image V1, EX... Image


Claims (14)

第1光を照射する第1画像照射部と、
前記第1光が入射される第1光入射部と、前記第1光の一部を全反射しながら導波光として導波する光導波部と、前記導波光の一部を視点方向に出射する第1光出射部を有する導光板部と、
前記第1光入射部に設けられた回折格子部を備え、
前記第1光出射部は、前記光導波部内に設けられたビームスプリッターと、前記光導波部の端部に設けられた再帰反射部を備え
前記導光板部は、前記回折格子部で分岐された光の一つを透過して前記視点方向とは異なる外部スクリーン方向に出射する第2光出射部を備えることを特徴とする画像投影装置。
a first image irradiating unit that irradiates a first light;
a light guide plate having a first light incident portion to which the first light is incident, a light guide portion that guides a portion of the first light as guided light while totally reflecting the first light, and a first light exit portion that exits the portion of the guided light in a viewing direction;
a diffraction grating portion provided on the first light incident portion,
The first light output portion includes a beam splitter provided in the optical waveguide portion and a retroreflection portion provided at an end of the optical waveguide portion ,
The light guide plate section includes a second light exit section that transmits one of the beams branched by the diffraction grating section and outputs the beam in a direction toward an external screen different from the viewpoint direction .
請求項に記載の画像投影装置であって、
前記視点方向と前記外部スクリーン方向とは、略平行であることを特徴とする画像投影装置。
2. The image projection device according to claim 1 ,
13. An image projection device, comprising: a projection unit for projecting an image from a projection screen onto a surface of the projection screen;
請求項1または2に記載の画像投影装置であって、
光の透過と遮断を切り替える光シャッター部が、前記第1光出射部または前記第2光出射部に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
3. The image projection device according to claim 1 ,
An image projection device, comprising: an optical shutter section that switches between transmitting and blocking light, the first light exit section or the second light exit section.
請求項1から3の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記第1光の波長を変換する波長変換部が、前記第1光出射部または前記第2光出射部に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
4. The image projection device according to claim 1 ,
An image projection device, comprising: a wavelength conversion unit that converts a wavelength of the first light, the wavelength conversion unit being provided in the first light output unit or the second light output unit.
請求項1から4の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記再帰反射部は、光を正反射する正反射領域と再帰反射する再帰反射領域が混在して形成されていることを特徴とする画像投影装置。
5. The image projection device according to claim 1 ,
The image projection device, wherein the retroreflective portion is formed by mixing a specular reflection area that specularly reflects light and a retroreflective area that retroreflects light.
請求項1から4の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記導波光の一部を反射して残りを透過する部分反射部が、前記ビームスプリッターと前記再帰反射部の間に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
5. The image projection device according to claim 1 ,
an optical fiber having a first reflector and a second reflector arranged to reflect a portion of the guided light and transmit the remainder of the guided light;
請求項1から6の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
第2光を前記回折格子に対して照射する第2画像照射部を備え、
前記回折格子部に対する前記第1光と前記第2光の入射角度が異なっており、
前記光導波部は、前記第2光の一部を全反射しながら導波光として導波することを特徴とする画像投影装置。
7. The image projection device according to claim 1 ,
a second image irradiating unit that irradiates the diffraction grating unit with a second light,
the first light and the second light have different angles of incidence with respect to the diffraction grating portion,
The image projection device, wherein the optical waveguide portion guides a part of the second light as guided light while totally reflecting the part.
請求項に記載の画像投影装置であって、
前記第1光の波長を反射し前記第2光の波長を透過する選択反射部が、前記ビームスプリッターと前記再帰反射部の間に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
8. The image projection device according to claim 7 ,
an optical fiber having a first wavelength and a second wavelength, the first wavelength being reflected by the first reflector and the second wavelength being transmitted through the first selective reflector;
請求項7または8に記載の画像投影装置であって、
前記第1光の波長または前記第2光の波長を選択的に遮断する光フィルターが、前記第2光出射部に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
9. The image projection device according to claim 7 ,
an optical filter that selectively blocks the first light wavelength or the second light wavelength is provided in the second light output portion;
請求項1から9の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
二つの前記導光板部を備え、
前記導光板部のそれぞれの前記第1光入射部に、一つの前記回折格子部が共通に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
10. The image projection device according to claim 1 ,
The light guide plate includes two light guide plate portions,
an optical fiber having a first light input portion and a second light input portion, the first light input portion being provided with a first diffraction grating portion;
請求項1から10の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記光導波部が曲面形状を有することを特徴とする画像投影装置。
11. The image projection device according to claim 1 ,
The image projection device, wherein the optical waveguide portion has a curved surface shape.
請求項1から11の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記第1画像照射部は、液晶表示素子またはデジタルミラーデバイスを備え、前記第1光に含まれる第1画像の内容を経時的に変化させることを特徴とする画像投影装置。
12. The image projection device according to claim 1 ,
An image projection device, characterized in that the first image irradiation unit is equipped with a liquid crystal display element or a digital mirror device, and changes the content of the first image contained in the first light over time.
請求項1から12の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記回折格子部は、光入射面を構成する平板状部分と、前記平板状部分と一体に構成された凹凸部分を備え、前記導光板部とは別体に形成されていることを特徴とする画像投影装置。
13. The image projection device according to claim 1 ,
An image projection device characterized in that the diffraction grating portion has a flat portion that constitutes a light incident surface and a concave-convex portion that is integral with the flat portion, and is formed separately from the light guide plate portion.
請求項1から12の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記回折格子部は、少なくとも二つの方向に光を回折するホログラフィックグレーティングを有することを特徴とする画像投影装置。
13. The image projection device according to claim 1 ,
The image projection device, wherein the diffraction grating portion has a holographic grating that diffracts light in at least two directions.
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