JP2010113172A - Beam scanning type display and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、HMD(ヘッドマウントディスプレイ)等の表示装置に関するものである。 The present invention relates to a display device such as an HMD (head mounted display).
従来、HMD(ヘッドマウントディスプレイ)等の表示装置において、レーザ光を2次元走査して、眼の網膜に直描する方式(以下、レーザ走査方式、と記す)がある。(例えば、特許文献1参照)。レーザ走査方式の表示装置は、網膜走査ディスプレイ、網膜照射ディスプレイ、網膜直描ディスプレイ、レーザ走査ディスプレイ、直視型表示装置、RSD(Retinal Scanning Display:網膜走査ディスプレイ)、VRD(Virtual Retinal Display:仮想網膜ディスプレイ)、などとも呼ばれている。 Conventionally, in a display device such as an HMD (head-mounted display), there is a method (hereinafter referred to as a laser scanning method) in which laser light is two-dimensionally scanned and directly drawn on the retina of the eye. (For example, refer to Patent Document 1). Laser scanning display devices include a retinal scanning display, a retinal irradiation display, a direct retina display, a laser scanning display, a direct-view display device, an RSD (Retina Scanning Display), and a VRD (Virtual Retina Display). ), Etc.
図1に眼鏡型のHMDの構造の例を示す。図1では眼鏡フレームにレーザ光を発光するレーザ源101、110、およびレーザ光の波面を制御する波面変更手段102、109、レーザ光を二次元方向に走査する走査手段103、108を搭載している。レーザ光は、走査手段によって眼鏡レンズに向かって投影され、眼鏡レンズの表面に備えられた偏向手段104、107によって、反射され、ユーザの眼に入射し、網膜上に画像を形成する。ここで偏向手段104、107にはハーフミラーやホログラム光学素子(HOE:Hologram Optical Element)などが用いられ、ユーザは外の景色と、レーザによって描かれる画像の両方を同時に視聴することが可能になる。また走査手段103、108には、一枚の単板ミラーを一軸、もしくは二軸方向に振動させることでレーザ光を二次元方向に走査するミラーデバイスなどが用いられる。
このようなレーザ走査方式の表示装置において高い解像度を実現するためには網膜上でのビームスポット径を小さくする必要がある。人間の目は集光レンズになっているため、ビーム径が大きく、かつ平行なレーザ光(曲率半径が無限大のレーザ光)を眼に入射すると、入射光は網膜上で小さなスポットに集光されるため、解像度の高い映像を網膜上に描写することが可能になる。眼鏡型のレーザ走査方式の表示装置においてユーザの眼に入射するビームを平行光にするためには、走査手段の動きに合わせてレーザ光のビームウェスト位置を変更する方法が用いられる。なおビームウェストとはレーザ光の半径が最小になる場所であり、本明細書ではビームウェスト位置は、走査手段からビームウェストまでの距離として扱う。走査手段による走査レーザ光が偏向手段に入射する場所に応じて、レーザ光のビームウェストの位置を変更することで偏向手段からユーザの眼に向かうレーザ光を平行光にすることが可能になる。図3に、眼鏡型の表示装置においてユーザの眼に向かうレーザ光を平行光にするための、走査手段による走査レーザ光の最適なビームウェスト位置の例を示す。偏向手段104はユーザの瞳孔位置305に光を集光する作用を持つように設計されたホログラムミラーであり、この偏向手段に対して走査手段103は斜めにレーザ光304を入射する。この際、レーザ光304の偏向手段104への入射位置に応じて、レーザ光のビームウェスト位置が変更される。線301で示されるのがレーザ光304の適切なビームウェスト位置の例であり、走査手段103の動きによってレーザ光304の向きが変っても、レーザ光304のビームウェスト位置が線301上に位置するように制御が行われる。
In order to realize a high resolution in such a laser scanning display device, it is necessary to reduce the beam spot diameter on the retina. Since the human eye is a condensing lens, when a parallel laser beam (laser beam with an infinite curvature radius) is incident on the eye, the incident light is focused on a small spot on the retina. Therefore, it is possible to depict a high-resolution video on the retina. In order to make a beam incident on the user's eye into parallel light in a glasses-type laser scanning display device, a method of changing the beam waist position of the laser light in accordance with the movement of the scanning means is used. The beam waist is a place where the radius of the laser beam is minimized. In this specification, the beam waist position is treated as a distance from the scanning means to the beam waist. By changing the position of the beam waist of the laser beam in accordance with the location where the scanning laser beam from the scanning unit is incident on the deflecting unit, the laser beam traveling from the deflecting unit to the user's eyes can be converted into parallel light. FIG. 3 shows an example of the optimum beam waist position of the scanning laser light by the scanning means for making the laser light toward the user's eyes parallel light in the eyeglass-type display device. The
このように波面制御手段によって、ビームウェスト位置の調節を行うことで、眼に入射されるビームが平行光になるように調節し、かつ大きな直径を持つビームを用いることで高解像度化を行うことができる。 In this way, by adjusting the beam waist position by the wavefront control means, the beam incident on the eye is adjusted to be parallel light, and high resolution is achieved by using a beam having a large diameter. Can do.
しかしながら、偏向手段に対して大きく斜めから入射する眼鏡型の表示装置においては、偏向手段への入射位置ごとに最適なビームの直径が異なるという課題が生じる。 However, in a glasses-type display device that is incident on the deflecting unit from a large angle, there arises a problem that the optimum beam diameter varies depending on the incident position on the deflecting unit.
図3に示したように偏向手段への入射位置によって、レーザ光304の最適なビームウェスト位置は大きく異なる。レーザ光はビームウェスト位置から離れるほど広がる性質を持つため、走査手段上のビーム径が一定の場合、ビームウェスト位置が偏向手段から遠いほど、偏向手段に入射する際のレーザ光のビーム径は大きくなる。つまり図3で示される最近入射点303と、最遠入射点302では偏向手段に入射した際のビーム径が大きく異なる。ビーム径の大きい平行光ほど、ユーザの網膜上で小さなスポット径に集光されるため、最近入射点303に入射されたレーザ光より、最遠入射点302に入射されたレーザ光の網膜上のスポットサイズが小さくなり、網膜上の場所によって描写される解像度に大きな差が出てしまう問題が生じるという課題がある。 As shown in FIG. 3, the optimum beam waist position of the laser beam 304 varies greatly depending on the incident position on the deflecting means. Since the laser beam has a property of spreading as it moves away from the beam waist position, when the beam diameter on the scanning unit is constant, the beam diameter of the laser beam when entering the deflection unit increases as the beam waist position is farther from the deflection unit. Become. That is, the beam diameter when entering the deflecting means is greatly different between the nearest incident point 303 shown in FIG. 3 and the farthest incident point 302. Since parallel light with a larger beam diameter is focused on a smaller spot diameter on the user's retina, the laser light incident on the farthest incident point 302 on the retina than the laser light incident on the most recent incident point 303. There is a problem that the spot size is reduced, and there is a problem that a large difference is generated in the resolution drawn depending on the location on the retina.
また偏向手段からの出射ビームは、偏向手段の光学作用によってコマ収差・非点収差・球面収差などの収差の影響を受ける。一般に光が光学系から受ける収差の影響は、ビーム径が増えるほど大きなものになる。最遠入射点302では、最近入射点303よりも偏向手段104に入射する際のビーム径が大きくなるため、収差の影響が大きく受ける。そのため収差の影響で解像度が劣化してしまう、という現象が生じうる。 The outgoing beam from the deflecting means is affected by aberrations such as coma, astigmatism and spherical aberration due to the optical action of the deflecting means. In general, the influence of aberration that light receives from an optical system increases as the beam diameter increases. At the farthest incident point 302, the beam diameter when entering the deflecting means 104 is larger than that at the most recent incident point 303, so that the influence of aberration is greatly affected. Therefore, a phenomenon that the resolution is deteriorated due to the influence of aberration may occur.
特許文献1ではこのような偏向手段への入射位置に応じた、最適なビーム径に対する考慮がなされていない。 In Patent Document 1, no consideration is given to the optimum beam diameter according to the incident position on the deflecting means.
本発明は前記課題を解決するもので、ビーム走査型表示装置において、ビームの直径を適切に変化させることで、解像度の劣化を防ぐことを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to prevent resolution degradation by appropriately changing the beam diameter in a beam scanning display device.
前記従来の課題を解決するために、本発明のビーム走査型表示装置は、
ビームを出力する光源と、
前記光源からのビームの波面形状を変化させる波面形状変更手段と、
前記波面形状変更手段からのビームを走査する走査手段と、
前記走査手段で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ変更する偏向手段と、
を備えたビーム走査型表示装置であって、
前記走査手段は入射されたビームの断面形状を変更するビーム断面変更手段を備えることを特徴とする。
In order to solve the above-described conventional problems, a beam scanning display device of the present invention includes:
A light source that outputs a beam;
Wavefront shape changing means for changing the wavefront shape of the beam from the light source;
Scanning means for scanning the beam from the wavefront shape changing means;
Deflecting means for changing the beam scanned by the scanning means in a direction toward the user's eyes;
A beam scanning display device comprising:
The scanning means includes beam cross-section changing means for changing the cross-sectional shape of the incident beam.
本構成によって偏向手段からのビームウェスト位置が近いレーザ光はビーム径を大きくして解像度を向上させ、偏向手段からのビームウェスト位置が遠いレーザ光はビーム径を小さくして収差の影響を小さく抑えることが可能になる。 With this configuration, the laser beam near the beam waist position from the deflecting unit increases the beam diameter to improve the resolution, and the laser beam far from the deflecting unit reduces the beam diameter to minimize the influence of aberration. It becomes possible.
また本傾き角度を変えることでビームを走査するミラーであって、
前記ビーム断面変更手段は、前記ミラー上に形成された透過型ホログラムであることを特徴とする。
Also, it is a mirror that scans the beam by changing the tilt angle,
The beam cross-section changing means is a transmission hologram formed on the mirror.
本構成によって可動部品の追加なしにビーム径を変更することが可能になる。 This configuration makes it possible to change the beam diameter without adding moving parts.
また本発明の透過型ホログラムは中心部および周辺部からなり、前記周辺部は特定の角度からの入射光に対して、他の角度からの入射光より高い透過率を有することを特徴とする。 The transmission hologram of the present invention comprises a central portion and a peripheral portion, and the peripheral portion has a higher transmittance for incident light from a specific angle than incident light from other angles.
本構成によって走査手段の動作に合わせてレーザ光のビーム径を変更することが可能になる。 With this configuration, the beam diameter of the laser light can be changed in accordance with the operation of the scanning unit.
また本発明の周辺部は、記偏向手段に入射する際に前記偏向手段に近い位置にビームウェスト位置を持つビームが前記走査手段に入射する入射角に対して、前記偏向手段に入射する際に前記偏向手段に遠い位置にビームウェスト位置を持つビームが前記走査手段に入射する入射角に対するよりも高い透過率を有することを特徴とする。 Further, the peripheral portion of the present invention is configured such that when a beam having a beam waist position at a position close to the deflecting unit is incident on the deflecting unit, an incident angle at which the beam is incident on the scanning unit is incident on the deflecting unit. A beam having a beam waist position at a position far from the deflecting means has a higher transmittance than an incident angle incident on the scanning means.
本構成によって、偏向手段に近い位置にビームウェスト位置を持つビームのビーム径を大きくすることができ、網膜上の解像度を向上させることが可能になる。 With this configuration, the beam diameter of a beam having a beam waist position at a position close to the deflecting unit can be increased, and the resolution on the retina can be improved.
また本発明の周辺部は、前記走査手段の水平走査方向に垂直な部分と、前記走査手段の垂直走査方向に垂直な部分で幅が異なることを特徴とする。 The peripheral portion of the present invention is characterized in that the width differs between a portion perpendicular to the horizontal scanning direction of the scanning means and a portion perpendicular to the vertical scanning direction of the scanning means.
本構成によって水平方向と垂直方向で網膜上のスポットサイズを独立に設定することが可能になる。 With this configuration, the spot size on the retina can be set independently in the horizontal direction and the vertical direction.
また本発明の周辺部は、断面形状が台形形状を取ることを特徴とする。 Further, the peripheral part of the present invention is characterized in that the cross-sectional shape takes a trapezoidal shape.
本構成によって、周辺部によって遮られる入射ビームの範囲を小さくし、出射ビームのビーム径を大きく保つことが可能になる。 With this configuration, it is possible to reduce the range of the incident beam blocked by the peripheral portion and keep the beam diameter of the outgoing beam large.
また本発明の透過型ホログラムは中心部分に穴があいた周辺部のみからなり、前記周辺部は特定の角度からの入射角に対して高い透過率を保つ角度選択性を有することを特徴とする。 The transmission hologram of the present invention is characterized by only a peripheral portion having a hole in the central portion, and the peripheral portion has an angle selectivity that maintains a high transmittance with respect to an incident angle from a specific angle.
本構成によって、必要なホログラム材料を削減し、走査手段を軽量化することが可能になる。 With this configuration, it is possible to reduce the required hologram material and reduce the weight of the scanning means.
走査レーザ光のビームウェスト位置が偏向手段から遠い場合にはビームの直径を小さくすることで収差の影響を防ぎ、走査レーザ光のビームウェスト位置が偏向手段から近い場合にはビームの直径を大きくすることで偏向手段上でのビーム直径を大きく保ち、解像度を向上させる。 When the beam waist position of the scanning laser beam is far from the deflection unit, the influence of the aberration is prevented by reducing the beam diameter, and when the beam waist position of the scanning laser beam is close to the deflection unit, the beam diameter is increased. This keeps the beam diameter large on the deflection means and improves the resolution.
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1に、本発明の実施の形態1における、メガネ形のHMD(ヘッドマウントディスプレイ)の構成図(平面図と側面図)を示す。図2は、図1の一部の詳細図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a configuration diagram (a plan view and a side view) of a glasses-type HMD (head-mounted display) in Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a detailed view of a part of FIG.
図1、図2の構成図において、各構成要素とその関係を記す。 In the configuration diagrams of FIGS. 1 and 2, each component and its relationship are described.
光源101、110は、ビームを出力する。出力するビームは、図2に示すように、赤色レーザ光源211と青色レーザ光源212と緑色レーザ光源213から出力される各レーザ光を合波したレーザ光とし、各色レーザ光源からの出力を適切に変調することで、任意の色のレーザ光を出力できる。さらに、後述する波面形状変更手段や走査手段と連動させて変調することで、ユーザの眼の網膜上に映像を表示できる。
The
なお、図2では211は赤色の半導体レーザ光源、212は青色の半導体レーザ光源とし、213は赤外線の半導体レーザ光源と、赤外線を緑色に変換するSHG(Second−Harmonic Generation:第2次高調波発生)素子の組合せとして図示してあるが、213が緑色の半導体レーザ光源でもよいし、各光源が固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ、発光ダイオードでもよい。 In FIG. 2, 211 is a red semiconductor laser light source, 212 is a blue semiconductor laser light source, 213 is an infrared semiconductor laser light source, and SHG (Second Harmonic Generation: Second Harmonic Generation) that converts infrared light into green. ) Although shown as a combination of elements, 213 may be a green semiconductor laser light source, or each light source may be a solid laser, liquid laser, gas laser, or light emitting diode.
なお、図2では各レーザ光源でレーザ光の変調を行っているが、レーザ光源から出力された光を変調する手段を、レーザ光源と組み合わせて用いることで、レーザ光を変調してもよい。 In FIG. 2, the laser light is modulated by each laser light source, but the means for modulating the light output from the laser light source may be used in combination with the laser light source to modulate the laser light.
なお、光源101、110は、図2の214の光検出手段を含んでもよい。光検出手段は、ユーザの眼の角膜からの反射光の強度を検出することで、ユーザの視線方向を検出できる。偏向手段により眼の方向へ偏向されたビームの多くは、角膜表面に対して斜めから入射するが、眼球に対して正面からのビームは、角膜表面に対して垂直に入射するために、ビームの反射率が比較的高くなるため、反射光の強度検出によって視線方向を検出できる。
The
波面形状変更手段102、109は、前記光源101、110からのビームの波面形状をそれぞれ変化させて、後述の偏向手段104、107で偏向されたビームのスポットサイズを所定の範囲内となるようにする。
The wavefront shape changing means 102 and 109 change the wavefront shapes of the beams from the
ビームの「スポットサイズ」とは、ユーザの眼の網膜でのスポットサイズとして、以後説明するが、瞳孔でのスポットサイズ、角膜でのスポットサイズ、偏向手段でのスポットサイズでもよい。網膜でのスポットサイズは、表示する画素サイズと同一である。 The “spot size” of the beam will be described below as a spot size on the retina of the user's eye, but may be a spot size on the pupil, a spot size on the cornea, or a spot size on the deflecting means. The spot size on the retina is the same as the pixel size to be displayed.
「波面形状」とはビーム波面の3次元形状であり、平面、球面、非球面の形状を含む。 The “wavefront shape” is a three-dimensional shape of a beam wavefront, and includes flat, spherical, and aspherical shapes.
図2では201の焦点距離水平成分変更手段と、202の焦点距離垂直成分変更手段とを光路に直列に配置しており、これによって、波面形状の水平方向の曲率と垂直方向の曲率とを独立して変更できる。201はシリンドリカルレンズとミラーとの距離を変更することで水平方向の曲率を変更している。202は201のシリンドリカルレンズに対して垂直に配置したシリンドリカルレンズを用いることで、垂直方向の曲率を変更している。また、201、202ともに、曲率の変更に伴い、ビームの直径も変更している。 In FIG. 2, the focal length horizontal component changing means 201 and the focal length vertical component changing means 202 are arranged in series in the optical path, so that the horizontal curvature and the vertical curvature of the wavefront shape are independent. Can be changed. In 201, the curvature in the horizontal direction is changed by changing the distance between the cylindrical lens and the mirror. 202 uses a cylindrical lens arranged perpendicular to the 201 cylindrical lens to change the curvature in the vertical direction. Further, in both 201 and 202, the beam diameter is also changed with the change in curvature.
なお、水平方向の曲率を垂直方向よりも大きく変化させると、水平方向の変化に、より大きく対応できるので、画面の水平視野角を垂直視野角より大きくしたい場合や、側頭部に走査手段(後述)があるHMDのように、走査手段から偏向手段(後述)へのビームの水平入射角が垂直入射角よりも大きい場合に、特に有効となる。 In addition, if the curvature in the horizontal direction is changed more greatly than in the vertical direction, the change in the horizontal direction can be handled more greatly. Therefore, when the horizontal viewing angle of the screen is desired to be larger than the vertical viewing angle, the scanning means ( This is particularly effective when the horizontal incident angle of the beam from the scanning means to the deflecting means (described later) is larger than the vertical incident angle, as in an HMD that will be described later.
本発明では波面形状偏向手段は走査手段103、108の動きに応じてレーザ光の水平方向、垂直方向の曲率を変更することで、レーザ光が図3に示すビームウェスト位置を保つように制御を行う。 In the present invention, the wavefront shape deflecting means controls the laser light to maintain the beam waist position shown in FIG. 3 by changing the horizontal and vertical curvatures of the laser light in accordance with the movement of the scanning means 103 and 108. Do.
なお、図2の波面形状変更手段では、シリンドリカルレンズとミラーを用いて波面形状を変更するが、他の手段として、液晶レンズや、液体レンズ等の可変形状レンズや、EO素子(電気−光変換素子)などを用いてもよい。この場合、レンズやミラーの位置を直接移動させる必要がなくなるため、高速な制御が可能になり、かつ表示装置が余分な振動を発生しなくなる効果がある。 The wavefront shape changing means in FIG. 2 uses a cylindrical lens and a mirror to change the wavefront shape, but as other means, a liquid shape lens, a variable shape lens such as a liquid lens, an EO element (electro-optical conversion) Element) or the like may be used. In this case, it is not necessary to directly move the position of the lens or mirror, so that high-speed control is possible and the display device does not generate extra vibration.
走査手段103、108は、それぞれ前記波面形状変更手段102、109からのビームを2次元走査する。走査手段は角度を2次元的に変更できる単板小型ミラーで、MEMS(Micro−Electro−Mechanical−System)マイクロミラーである。なお本発明における走査手段103、108の詳細については後述する。 Scanning means 103 and 108 two-dimensionally scan the beams from the wavefront shape changing means 102 and 109, respectively. The scanning means is a single-plate small mirror that can change the angle two-dimensionally, and is a MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) micromirror. The details of the scanning means 103 and 108 in the present invention will be described later.
偏向手段104、107は、前記走査手段103、108で走査されたビームの向きをそれぞれユーザの眼に向かう方向へ変更する。104、107の偏向手段では、メガネのレンズの内側(眼の側)に、例えばフォトポリマー層が形成され、フォトポリマー層にはリップマン体積ホログラムが形成されて、走査手段からのビームがユーザの眼の瞳孔に回折・集光されるように製作されている。フォトポリマー層には赤色、緑色、青色、それぞれの光源からの光を反射する3つのホログラムを多重に形成してもよいし、それぞれの色の光に対応した3層のホログラムを積層してもよい。また、ホログラムの波長選択性を用いることで、光源波長の光のみが回折し、外界からの光のほとんどを占める光源波長以外の波長の光は回折の影響を受けないように製作することで、透過型のディスプレイとできる。
The deflecting
なお、偏向手段はホログラムなどの回折素子による偏向に限定されず、凹面鏡などのミラーや、凸レンズなどのレンズでもよい。この場合、偏向手段にホログラムを用いる場合より、偏向手段の製造が簡単になる。 The deflection means is not limited to deflection by a diffraction element such as a hologram, and may be a mirror such as a concave mirror or a lens such as a convex lens. In this case, it is easier to manufacture the deflection means than when a hologram is used as the deflection means.
制御手段105、111は、HMD各部を制御する集積回路を備える。各レーザの出力および、波面形状変更手段、走査手段の動作が制御手段105、111によって行われる。 The control means 105 and 111 include an integrated circuit that controls each part of the HMD. The outputs of the lasers and the operations of the wavefront shape changing means and the scanning means are performed by the control means 105 and 111.
また制御手段105,108はユーザに表示する内容を決定する手段を備える。 The control means 105 and 108 include means for determining the contents to be displayed to the user.
なお、制御手段は、携帯電話等の周辺機器と無線接続して映像音声信号を受信する通信手段を備えてもよい。また制御手段105、111ユーザに提示すべき画像を格納したメモリを備えていてもよいし、もしくは無線によって外部機器からユーザに提示すべき画像を取得しても良い。 The control unit may include a communication unit that wirelessly connects to a peripheral device such as a mobile phone and receives a video / audio signal. Further, the control means 105, 111 may be provided with a memory storing an image to be presented to the user, or an image to be presented to the user may be acquired from an external device wirelessly.
なお、制御手段105、111はひとつであってもよく、制御手段105もしくは111が左右の眼に対応するレーザ光源、波面形状変更手段、走査手段、ヘッドホンの動作を制御してもよい。この場合、制御手段が1つで済むためにコストが削減され、また表示装置が軽量化される効果がある。 The control means 105 and 111 may be one, and the control means 105 or 111 may control the operations of the laser light source, the wavefront shape changing means, the scanning means, and the headphones corresponding to the left and right eyes. In this case, since only one control means is required, the cost can be reduced and the display device can be reduced in weight.
ヘッドホン部106、112は、スピーカーを備え、音声を出力する。
The
なお、ヘッドホン部には、HMD各部へ電源供給するバッテリーを備えてもよい。 The headphone unit may include a battery that supplies power to each unit of the HMD.
なお、図1における各手段や各部は、1台のHMDに内蔵されていてもよいし、内蔵されていなくてもよい。例えば、図1各部の全てが、1台のHMDに含まれていてもよいし、ヘッドホン部がなくてもよい。また、各部が分散配置していてもよい。例えば、制御手段が走査手段や波面形状手段に一部含まれていてもよい。複数の機器で図1の各部を共有してもよい。例えば、レーザ光源を2つのHMDで共有してもよい。 In addition, each means and each part in FIG. 1 may be incorporated in one HMD, or may not be incorporated. For example, all the components in FIG. 1 may be included in one HMD, or the headphone unit may not be provided. Moreover, each part may be distributed. For example, the control means may be partly included in the scanning means and the wavefront shape means. 1 may be shared by a plurality of devices. For example, the laser light source may be shared by two HMDs.
以下に、本実施の形態における走査手段について詳述する。図4に本実施の形態における走査手段103、108の断面図、図5に鳥瞰図を示す。また以下では走査手段103に限って説明するが、走査手段108は103と同様の構造を持つ。
Below, the scanning means in this Embodiment is explained in full detail. FIG. 4 is a sectional view of the scanning means 103 and 108 in this embodiment, and FIG. 5 is a bird's eye view. In the following description, only the
図4に示すように走査手段103は、平板ミラー401の上にホログラム層を備える。ホログラム層は透過型ホログラムであり、中心部402と周辺部403の二つで構成されている。走査手段103に入射されたレーザ光は、一度ホログラム層を通過し、平板ミラー401によって反射され、再度ホログラム層を通過して偏向手段へと射出される。この様子を図7に示す。
As shown in FIG. 4, the
走査手段103は、出射光701のビーム径を、出射光701が偏向手段104に入射する位置に応じて変更する。本実施の形態では、図3に示す最遠入射点302に向かう時には出射光701のビーム径を小さくし、最近入射点303に向かう時には出射光701のビーム径を大きくすることで、ユーザの眼に表示する画像の解像度を高める。このようなビーム径の調節を実現するために、本実施の形態では、ホログラムの角度選択性を利用する。ホログラムの角度選択性とは、特定の角度から入射された光の透過率や反射率を上げることができる性質であり、周辺部403においてこの性質を利用する。
The
最近入射点303にレーザ光が入射する際の走査手段へのレーザ光304の入射角をα、最遠入射点302にレーザ光が入射する際の走査手段へのレーザ光305の入射角をβとする。このとき周辺部403は、図6に示す透過率を持つように設計される。この図に示されるように、周辺部403に入射角αに近い角度で入射した光は周辺部403を透過するが、入射角αと異なる角度から周辺部403に入射した光は透過しなくなる。 The incident angle of the laser beam 304 to the scanning unit when the laser beam is incident on the nearest incident point 303 is α, and the incident angle of the laser beam 305 to the scanning unit when the laser beam is incident on the farthest incident point 302 is β. And At this time, the peripheral portion 403 is designed to have the transmittance shown in FIG. As shown in this figure, light incident on the peripheral portion 403 at an angle close to the incident angle α is transmitted through the peripheral portion 403, but light incident on the peripheral portion 403 from an angle different from the incident angle α is not transmitted.
図6に示す透過率をもつホログラムを作成する具体例としては、図15および図16に示す回折効率をもつホログラムを多重露光する方法がある。 As a specific example of creating the hologram having the transmittance shown in FIG. 6, there is a method of performing multiple exposure on the hologram having the diffraction efficiency shown in FIGS.
図15、図16は、それぞれ入射角αに対して回折効率が最大になるように設計されたホログラムであり、周辺部403に図15、図16の光学性能をもつホログラムを多重露光することで、周辺部403は図17に示される回折効率をもつ。回折効率と透過率は逆数の関係にあるため、図17の回折効率を持つホログラムは、図6に示す透過率を有することができる。 FIGS. 15 and 16 are holograms designed so that the diffraction efficiency is maximized with respect to the incident angle α. The hologram having the optical performance shown in FIGS. The peripheral portion 403 has the diffraction efficiency shown in FIG. Since the diffraction efficiency and the transmittance have an inverse relationship, the hologram having the diffraction efficiency of FIG. 17 can have the transmittance shown in FIG.
同時に中心部401はどのような角度からの光に対しても同一の透過率を保つように設計する。平板ミラー401上に前述した角度選択性を持つ中心部402、周辺部403を備えることで偏向手段への入射ビームの直径を変更することが可能になる。この例を図7、8に示す。 At the same time, the central portion 401 is designed to maintain the same transmittance for light from any angle. By providing the center part 402 and the peripheral part 403 having the angle selectivity described above on the flat mirror 401, the diameter of the incident beam to the deflecting means can be changed. Examples of this are shown in FIGS.
図7は最近入射点303に対してレーザ光が入射する際の図である。この時、レーザ光304は走査手段に対して入射角αで入射する。そのため図6に示すように、レーザ光304に対して周辺部403は高い透過率を持ち、結果として走査手段に入射したレーザ光は全て平板ミラー401に到達し、そのまま偏向手段に向けて出射される。 FIG. 7 is a diagram when laser light is incident on the most recent incident point 303. At this time, the laser beam 304 is incident on the scanning means at an incident angle α. Therefore, as shown in FIG. 6, the peripheral portion 403 has a high transmittance with respect to the laser beam 304, and as a result, all of the laser beam incident on the scanning unit reaches the flat mirror 401 and is emitted toward the deflecting unit as it is. The
図8は最遠入射点302に対してレーザ光が入射する際の図である。この時、レーザ光304は走査手段に対して入射角βで入射する。そのため図6に示すように、レーザ光304に対して周辺部403は低い透過率を持ち、結果として走査手段に入射したレーザ光の一部は周辺部403を通過することができなくなる。そのため平板ミラー401に到達し、そのまま偏向手段に向けて出射されるのはレーザ光305のうち中心部402を通過する一部分のみであり、結果として出射光701のビーム径は小さくなる。 FIG. 8 is a diagram when laser light is incident on the farthest incident point 302. At this time, the laser beam 304 is incident on the scanning means at an incident angle β. Therefore, as shown in FIG. 6, the peripheral portion 403 has a low transmittance with respect to the laser light 304, and as a result, part of the laser light incident on the scanning unit cannot pass through the peripheral portion 403. Therefore, only the part of the laser beam 305 that passes through the central portion 402 reaches the flat mirror 401 and is emitted as it is toward the deflecting means, and as a result, the beam diameter of the emitted light 701 is reduced.
このように角度選択性をもつホログラムを走査手段上に設けることで、最近入射点303に向かうレーザ光のビーム径を大きく保ちながら、最遠入射点302に向かうレーザ光のビーム径を小さく抑えることが可能になり、画面のどの点においても解像度を向上させることが可能になる。 Thus, by providing the hologram having angle selectivity on the scanning means, the beam diameter of the laser beam toward the farthest incident point 302 can be kept small while keeping the beam diameter of the laser beam toward the nearest incident point 303 large. The resolution can be improved at any point on the screen.
なお、走査手段の形状を矩形で説明したが、図9に示すように円形のミラーを用いても良い。この場合、矩形のミラーを用いるよりもミラーを軽量化することが可能になる。 In addition, although the shape of the scanning means has been described as a rectangle, a circular mirror may be used as shown in FIG. In this case, the mirror can be made lighter than using a rectangular mirror.
なお、周辺部403の幅は均一である必要は無く、例えば平板ミラーの上下では幅を細くして、左右では幅を太くしても良い。この場合、偏向手段に入射するビーム径を垂直方向と水平方向で独立に変更することが可能になる。 Note that the width of the peripheral portion 403 does not need to be uniform. For example, the width may be narrowed at the top and bottom of the flat mirror, and may be wide at the left and right. In this case, the beam diameter incident on the deflecting means can be changed independently in the vertical direction and the horizontal direction.
なお、走査手段は中心部402を除去した形状でも良い。この場合、必要なホログラムの量が削減されるため、走査手段を軽量化することが可能になる。 The scanning unit may have a shape in which the central portion 402 is removed. In this case, since the amount of necessary holograms is reduced, the scanning means can be reduced in weight.
なお、周辺部403の断面形状は図7に示すような矩形ではなく、三角形状や台形形状であってもよい。図10に周辺部の断面形状が三角形状である場合の例を示す。この場合、必要なホログラム材料の量を削減することが出来る。また入射光304が平板ミラー401に入射するための妨げとなる部分が減少するため、最遠入射点302へと向かうレーザ光の直径を大きくすることが可能になる。 The cross-sectional shape of the peripheral portion 403 is not a rectangle as shown in FIG. 7, but may be a triangle shape or a trapezoid shape. FIG. 10 shows an example in which the peripheral cross-sectional shape is triangular. In this case, the amount of required hologram material can be reduced. Further, since the portion that prevents the incident light 304 from entering the flat mirror 401 is reduced, the diameter of the laser light toward the farthest incident point 302 can be increased.
なお、走査手段103は一枚のミラーを二軸方向に走査する形態ではなく、一軸方向に動作する二枚のミラーを用いることで、レーザ光を二次元に走査する方法を用いても良い。この際の水平方向の走査ミラーを図11に、垂直方向の走査ミラーを図12に示す。この例では図11のミラーで水平方向のビーム径を調節したあと、出射光を更に図12の垂直方向のミラーに入射することで垂直方向のビーム径を調節する。この場合、走査手段を二軸に動作させる必要がなくなるため、個々のミラーの制御が簡易化される効果がある。
Note that the
なお、走査手段103は平板ミラー401ではなく、平板ミラー401上のホログラムで直接、入射光を反射する方法を用いても良い。このとき周辺部403には図18に示す回折効率が与えられる。またこのとき、中心部401には全ての入射角からの光を反射するようにミラーと同等の光学性能を与える。
The
(実施の形態2)
本実施の形態では、車両や航空機に搭載されるHUD(Head Up Display)をビーム走査型の表示装置で実現する際に、ビーム径を変化させることで解像度の向上を図る方法について例示する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, a method for improving the resolution by changing the beam diameter when realizing a HUD (Head Up Display) mounted on a vehicle or an aircraft with a beam scanning display device will be exemplified.
図13に、本発明の実施の形態2におけるレーザ走査型のHUD(ヘッドアップディスプレイ)の側面図、図14に鳥瞰図を示す。 FIG. 13 is a side view of a laser scanning type HUD (head-up display) according to Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 14 is a bird's-eye view.
車1301の内部に、レーザ走査ユニット1302が埋め込まれている。レーザ走査ユニット1302は車のフロントガラス1303の下方に取り付けられており、本実施の形態ではインパネの内部に配置されており、表示装置の省スペース化を図っている。
A
なおレーザ走査ユニット1302はインパネの内部ではなく、インパネ外部に配置してもよい。この場合、レーザ走査ユニット1302の交換や位置の変更が容易になる。
The
レーザ走査ユニット1302によって走査された光はフロントガラス1303に取り付けられた偏向手段104によって反射され、ハーフミラー1304を通過し、ドライバー1305の眼球1306に到達することで映像が視認される。このようなHUDではフロントガラス1303越しに外界風景を確認しながら、レーザ走査ユニット1302によって表示される地図情報や警告情報を見ることができ、ドライバーの安全性や利便性を向上させることが可能になる。ユーザの網膜上に投影されたレーザの反射光は、ユーザの眼前に設置されたハーフミラー1304によって反射され、光検出手段214によって検出される。
The light scanned by the
なお本実施の形態ではレーザ走査ユニット1302は、光源101、波面形状変更手段102、走査手段103、制御回路105から構成されている。図14に示すようにレーザ走査ユニット1302はユーザの正面ではなく、サイドミラー側に設置され、フロントガラス1303に対して斜めからレーザ光を投影する。このような構成をとることでレーザ走査ユニット1303の配置場所の自由度を高めることが出来、車両のデザイン性を向上させる効果がある。
In this embodiment mode, the
なお偏向手段104はフロントガラス1303に自由に着脱できるようにしてもよい。この場合、ディスプレイの表示が不要な場合は変更手段104を外すことにより、フロントガラス1303の透過性を保ち、ドライバーの安全性を向上させることができる。
The deflecting means 104 may be freely attached to and detached from the
なお偏向手段104は走査手段からの光をユーザのいずれかの目に向かって反射するのではなく、ユーザの両方の目に向かって反射させてもよい。この場合、一つの変更手段104によってユーザの両目に映像を表示することが可能になる。
The deflecting
また本発明の実施の形態においては、ユーザの眼前にハーフミラー1304を設置することで、ユーザの網膜上からの反射光を光検出手段214に反射させる。ハーフミラー1304は、車の天井1307に支持棒1308によって取り付けられており、この構造によってユーザの頭部への装置の装着を強制することなしに、ユーザの網膜上のスポットサイズの検出を行うことができる。なおハーフミラー1304および光検出器214は車の天井に設置するのではなく、ドライバーの眼鏡や帽子に設置しても良い。この場合、ドライバーの頭が前後に動いてもハーフミラーに頭が接触する可能性が減るため、ドライバーの安全性を向上させることができる。
In the embodiment of the present invention, a
制御手段105は、HUD各部を制御する集積回路を備える。各レーザの出力および、波面形状変更手段、走査手段、光検出器の動作が制御手段105によって行われる。また制御手段105は前記波面形状変更手段の動作を制御する機能も含む。本実施の形態において光検出手段214は天井に配置され、制御回路105はインパネ内部に設置されているが、光検出手段214と制御回路105間の通信は車の内部を有線ケーブルを這わせることで行っても良いし、無線通信で行っても良い。
The control means 105 includes an integrated circuit that controls each part of the HUD. The output of each laser and the operations of the wavefront shape changing means, the scanning means, and the photodetector are performed by the control means 105. The control means 105 also includes a function for controlling the operation of the wavefront shape changing means. In this embodiment, the light detection means 214 is arranged on the ceiling and the
本実施の形態においては、図14に示すようにフロントガラス1303に対してレーザ光を斜めに投影するため、ユーザの眼球1306に向かうレーザ光を平行光にするために実施の形態1と同様の対策が必要になる。そのため本実施の形態においても、走査手段103は実施の形態1と同様に、平板ミラーとホログラム層から構成され、図4、図5で示される構造を持つ。
In the present embodiment, as shown in FIG. 14, laser light is projected obliquely onto the
周辺部403に対して図6で示される角度選択性を持たせることで、図14の最近入射点に向かうレーザ光のビーム径を大きくし、最遠入射点302に向かうレーザ光のビーム径を小さくすることが可能になり、画像全体の解像度を向上させることが可能になる。 By providing the peripheral portion 403 with the angle selectivity shown in FIG. 6, the beam diameter of the laser light toward the nearest incident point in FIG. 14 is increased, and the beam diameter of the laser light toward the farthest incident point 302 is increased. It becomes possible to make it small, and it becomes possible to improve the resolution of the whole image.
なお図14において、レーザ光はユーザの片目にしか入射されていないが、レーザ走査ユニット1302、変更手段104、光検出手段214をもう一組用意し、両目に対してレーザ光の入射を行っても良い。この場合、両眼に対して映像を表示することができ、広い視野角の画像提示や、三次元画像の提示などが可能になる。
In FIG. 14, the laser light is incident only on one eye of the user, but another set of
なお、上記した各実施の形態での制御処理は、記憶装置(ROM、RAM、ハードディスク等)に格納された上述した処理手順を実行可能な所定のプログラムデータが、CPUによって解釈実行されることで実現される。この場合、プログラムデータは、記録媒体を介して記憶装置内に導入されてもよいし、記録媒体上から直接実行されてもよい。なお、記録媒体は、ROM、RAM、フラッシュメモリ等の半導体メモリ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクメモリ、CD−ROMやDVDやBD等の光ディスクやSDカード等のメモリカード等の記録媒体をいう。また、記録媒体は、電話回線や搬送路等の通信媒体も含む概念である。 The control processing in each embodiment described above is performed by the CPU interpreting and executing predetermined program data stored in a storage device (ROM, RAM, hard disk, etc.) that can execute the processing procedure described above. Realized. In this case, the program data may be introduced into the storage device via the recording medium, or may be directly executed from the recording medium. The recording medium refers to a recording medium such as a semiconductor memory such as a ROM, a RAM, or a flash memory, a magnetic disk memory such as a flexible disk or a hard disk, an optical disk such as a CD-ROM, DVD, or BD, or a memory card such as an SD card. . The recording medium is a concept including a communication medium such as a telephone line or a conveyance path.
本発明にかかるビーム走査型表示装置は、ビーム断面変更手段などを有し、表示装置、表示システム、表示方法、表示プログラム、などの用途にも応用できる。 The beam scanning display device according to the present invention includes a beam cross-section changing unit and the like, and can be applied to uses such as a display device, a display system, a display method, and a display program.
101 左眼用光源
102 左眼用波面形状変更手段
103 左眼用走査手段
104 左眼用偏向手段
105 左眼用制御手段
106 左眼用ヘッドホン部
110 右眼用光源
109 右眼用波面形状変更手段
108 右眼用走査手段
107 右眼用偏向手段
111 右眼用制御手段
112 右眼用ヘッドホン部
201 焦点距離水平成分変更手段
202 焦点距離垂直成分変更手段
211 赤色レーザ光源
212 青色レーザ光源
213 緑色レーザ光源
214 光検出手段
101 Left-
Claims (8)
前記光源からのビームの波面形状を変化させる波面形状変更手段と、
前記波面形状変更手段からのビームを走査する走査手段と、
前記走査手段で走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ変更する偏向手段と、
を備えたビーム走査型表示装置であって、
前記走査手段は入射されたビームの断面形状を変更するビーム断面変更手段を備えることを特徴とするビーム走査型表示装置。 A light source that outputs a beam;
Wavefront shape changing means for changing the wavefront shape of the beam from the light source;
Scanning means for scanning the beam from the wavefront shape changing means;
Deflecting means for changing the beam scanned by the scanning means in a direction toward the user's eyes;
A beam scanning display device comprising:
The beam scanning type display device, wherein the scanning means comprises beam cross-section changing means for changing the cross-sectional shape of the incident beam.
前記ビーム断面変更手段は、前記ミラー上に形成された透過型ホログラムであることを特徴とする請求項1記載のビーム走査型表示装置。 The scanning means is a mirror that scans a beam by changing an inclination angle,
2. The beam scanning display device according to claim 1, wherein the beam section changing means is a transmission hologram formed on the mirror.
前記ビーム出力ステップによるビームの波面形状を変化させる波面形状ステップと、
前記波面形状変更手段ステップからのビームを走査する走査ステップと、
前記走査ステップで走査されたビームをユーザの眼に向かう方向へ変更する偏向ステップと、
を備えたビーム走査型表示方法であって、
前記走査ステップは入射されたビームの断面形状を変更するビーム断面変更ステップを備えることを特徴とするビーム走査型表示方法。 A beam output step for outputting a beam;
A wavefront shape step for changing a wavefront shape of the beam by the beam output step;
A scanning step of scanning the beam from the wavefront shape changing means step;
A deflection step of changing the beam scanned in the scanning step in a direction toward the user's eye;
A beam scanning display method comprising:
The beam scanning display method, wherein the scanning step includes a beam cross-section changing step for changing a cross-sectional shape of an incident beam.
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