JP2010117541A - Beam scanning-type display device - Google Patents

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JP2010117541A JP2008290531A JP2008290531A JP2010117541A JP 2010117541 A JP2010117541 A JP 2010117541A JP 2008290531 A JP2008290531 A JP 2008290531A JP 2008290531 A JP2008290531 A JP 2008290531A JP 2010117541 A JP2010117541 A JP 2010117541A
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Keiji Sugiyama
圭司 杉山
Tadaya Yamamoto
格也 山本
Tatsuo Ito
達男 伊藤
Akira Kurozuka
章 黒塚
Kenichi Kasasumi
研一 笠澄
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Panasonic Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the following problem: in a display device such as a HMD (head-mounted display), it is difficult to maintain the optimum beam waist position of scanning beams all over the view field. <P>SOLUTION: The beam scanning-type display device includes: a light source which emits the beam; a wavefront shape-changing means for changing the wavefront shape of the beam emitted from the light source; a scanning means for scanning the beam from the wavefront shape-changing means; and a deflecting means for changing the direction of the beam scanned by the scanning means to advance toward the user's eyes. The wavefront shape-changing means includes an optical component which oscillates solely in synchronism with the operation of the scanning means, and includes a line-of-sight detecting means for detecting the line-of-sight of the user who operates the beam scanning type display device, and the driving width of the optical component which oscillates solely in the wavefront shape-changing means is changed in accordance with the detection result obtained by the line-of-sight detecting means. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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HMDの構造例を示す。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。   FIG. 1 shows an example of the structure of a glasses-type HMD. In FIG. 1, laser sources 101 and 110 for emitting laser light to a spectacle frame, wavefront changing means 102 and 109 for controlling the wavefront of the laser light, and scanning means 103 and 108 for scanning the laser light in a two-dimensional direction are mounted. Yes. The laser light is projected toward the spectacle lens by the scanning means, reflected by the deflecting means 104 and 107 provided on the surface of the spectacle lens, is incident on the user's eye, and forms an image on the retina. Here, a half mirror, a hologram optical element (HOE), or the like is used for the deflecting means 104 and 107, and the user can view both the outside scenery and the image drawn by the laser at the same time. . For the scanning means 103 and 108, a mirror device that scans laser light in a two-dimensional direction by vibrating a single single-plate mirror in a uniaxial or biaxial direction is used.

またレーザ光の波面曲率を変更することで、ユーザに表示する画像に遠近感を与える方法も考えられている(例えば、特許文献2参照)。
特開平10−301055号公報 特開2004−191946号公報
A method of giving perspective to an image displayed to the user by changing the wavefront curvature of the laser light is also considered (see, for example, Patent Document 2).
JP 10-301055 A JP 2004-191946 A

しかしながら、レーザ走査方式の表示装置において、広い視野角と高い解像度を実現するためにはレーザ光の走査に合わせて走査ビームのビームウェスト位置を変更することが必要になる。ここでビームウェストとは、レーザ光の直径が最も細くなる場所である。また本明細書においては、ビームウェスト位置とは走査手段からみたビームウェストの位置として扱う。   However, in a laser scanning display device, in order to realize a wide viewing angle and high resolution, it is necessary to change the beam waist position of the scanning beam in accordance with the scanning of the laser beam. Here, the beam waist is a place where the diameter of the laser beam becomes the smallest. In this specification, the beam waist position is treated as the position of the beam waist viewed from the scanning means.

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走査ビームのビームウェスト位置を変更する必要がある。走査手段による走査ビームが偏向手段に入射する場所に応じて、走査ビーム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ビーム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を行うことで瞳に入射するビームを平行光にすることができる。   In order to realize high resolution in 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, it is necessary to change the beam waist position of the scanning beam in accordance with the movement of the scanning means. By changing the position of the beam waist of the scanning beam in accordance with the location where the scanning beam from the scanning unit is incident on the deflecting unit, the laser beam from the deflecting unit toward the user's eyes can be converted into parallel light. FIG. 3 shows an example of the optimum beam waist position of the scanning beam by the scanning means for making the laser beam toward the user's eye into parallel light in the glasses-type display device. The deflecting unit 104 is a hologram mirror designed to collect light at the pupil position 305 of the user, and the scanning unit 103 obliquely enters the laser beam 304 with respect to this deflecting unit. At this time, the beam waist position of the laser beam is changed in accordance with the incident position of the laser beam 304 on the deflecting means 104. An example of an appropriate beam waist position of the laser beam 304 is shown by a line 301, and the beam waist position of the laser beam 304 is positioned on the line 301 even if the direction of the laser beam 304 changes due to the movement of the scanning unit 103. By controlling so as to make it possible, the beam incident on the pupil can be made into parallel light.

しかしながら、ビーム走査型表示装置において、ユーザに広視野の画像を表示する場合、視野全域にわたって走査ビームのビームウェスト位置を最適に保つことは困難になる。走査ビームのビームウェスト位置は、走査手段の動作に追従して変更する必要があるが、高画質の画像を表示する際には、走査手段は高速に動作する(例えば100Hz以上)。高速で動作する走査手段に追従する際には、レンズやミラーに複雑な動作を与えるのは困難となるため、波面形状変更手段に用いられる光学部品は単純な単振動で高速に駆動する方法が用いられる。図2にビーム走査型のHMDの詳細構造図を示す。ここで201、202は波面形状変更手段に含まれるレンズであり、それぞれ走査ビームの水平方向のビームウェスト位置、垂直方向のビームウェスト位置を変更するため走査手段103の動きに同期して振幅Dで単振動駆動される。   However, when displaying a wide-field image to the user in the beam scanning display device, it is difficult to keep the beam waist position of the scanning beam optimal over the entire field of view. The beam waist position of the scanning beam needs to be changed following the operation of the scanning unit, but when displaying a high-quality image, the scanning unit operates at high speed (for example, 100 Hz or more). When following a scanning means that operates at high speed, it is difficult to give a complicated operation to the lens or mirror. Therefore, the optical parts used for the wavefront shape changing means can be driven at high speed with simple single vibration. Used. FIG. 2 shows a detailed structural diagram of a beam scanning type HMD. Here, reference numerals 201 and 202 denote lenses included in the wavefront shape changing unit, which respectively change the horizontal beam waist position and the vertical beam waist position of the scanning beam with an amplitude D in synchronization with the movement of the scanning unit 103. Single vibration drive.

しかしながら、光学部品を単振動する方法では、画像の視野全域にわたって走査ビームのビームウェスト位置を最適に保つことは難しくなる課題が生じる。   However, in the method of simply vibrating the optical component, there is a problem that it is difficult to keep the beam waist position of the scanning beam optimal over the entire field of view of the image.

図4、図5に最適なビームウェスト位置401と、単振動レンズ201によって実現される走査ビームのビームウェスト位置402を示す。図4、図5の横軸はユーザに表示される画素の視野角(画角)、縦軸はその視野角に対応する画素を表示する走査ビームのビームウェスト位置を示す。なお縦軸のビームウェスト位置の値は、走査手段103から走査ビームのビームウェスト位置までの距離で表される。また図4は単振動レンズ201の駆動幅が小さいときの例であり、図5では単振動レンズ201の駆動幅が大きいときの例である。   4 and 5 show the optimum beam waist position 401 and the beam waist position 402 of the scanning beam realized by the single vibration lens 201. FIG. 4 and 5, the horizontal axis indicates the viewing angle (field angle) of the pixel displayed to the user, and the vertical axis indicates the beam waist position of the scanning beam displaying the pixel corresponding to the viewing angle. The value of the beam waist position on the vertical axis is expressed by the distance from the scanning means 103 to the beam waist position of the scanning beam. 4 shows an example when the driving width of the single vibration lens 201 is small, and FIG. 5 shows an example when the driving width of the single vibration lens 201 is large.

図4に示すように単振動レンズ201の駆動幅が小さいとき、視野の両端(右側40度や左側40度)では、最適ビームウェスト位置401とビームウェスト位置402のズレが少ない。つまりこの時、ユーザの視野の両端では単振動レンズ201によって実現されるビームウェスト位置は最適なものとなっているため、この部分の視野の画素はユーザの網膜上でボケずに表示される。その反面、視野中央では401と402のズレが大きい。この時、視野中央の画素を描画する走査ビームのビームウェスト位置は、最適なビームウェスト位置からずれているため、視野中央の画素はユーザの網膜上でボケてしまう。つまりユーザには画面両端が鮮明で、画面中央がボケた画像が表示される。   As shown in FIG. 4, when the driving width of the single vibration lens 201 is small, the deviation between the optimum beam waist position 401 and the beam waist position 402 is small at both ends of the field of view (40 degrees on the right side and 40 degrees on the left side). In other words, at this time, the beam waist position realized by the simple vibrating lens 201 is optimal at both ends of the user's visual field, and thus the pixels in the visual field of this portion are displayed without blur on the user's retina. On the other hand, the gap between 401 and 402 is large at the center of the visual field. At this time, since the beam waist position of the scanning beam for drawing the pixel at the center of the visual field is shifted from the optimum beam waist position, the pixel at the center of the visual field is blurred on the retina of the user. That is, the user displays an image in which both ends of the screen are clear and the center of the screen is blurred.

また図5に示すように単振動レンズ201の駆動幅が大きいときには、視野中央では最適ビームウェスト位置401とビームウェスト位置402のズレが少ない。つまりこの時、単振動レンズ201によって実現されるビームウェスト位置は最適なものとなっているため、視野中央の画素はユーザの網膜上でボケずに表示される。その反面、視野の両端では401と402のズレが大きい。この時、視野の両端の画素を描画する走査ビームのビームウェスト位置は、最適なビームウェスト位置からずれているため、視野の両端の画素はユーザの網膜上でボケてしまう。つまりユーザには画面中央は鮮明で、画面両端がボケた画像が表示される。   Further, as shown in FIG. 5, when the driving width of the single vibration lens 201 is large, there is little deviation between the optimum beam waist position 401 and the beam waist position 402 in the center of the visual field. In other words, at this time, the beam waist position realized by the single vibration lens 201 is optimal, so that the pixel in the center of the visual field is displayed without blur on the retina of the user. On the other hand, the gap between 401 and 402 is large at both ends of the field of view. At this time, since the beam waist position of the scanning beam for drawing the pixels at both ends of the field of view is shifted from the optimum beam waist position, the pixels at both ends of the field of view are blurred on the user's retina. That is, the user displays an image with a clear center in the screen and blurred both ends of the screen.

すなわち、光学部品を単振動駆動して高速に走査ビームのビームウェスト位置を変更する際には、視野の一部分しか走査ビームのウェスト位置を最適に保つことができず、他の部分ではユーザの眼に向かうビームが平行光とはならないため網膜上の解像度が劣化してしまうという課題が生じる。   That is, when changing the beam waist position of the scanning beam at high speed by driving the optical component with a single vibration, the waist position of the scanning beam can be optimally maintained only in a part of the field of view, and the user's eyes in other parts. Since the beam heading toward is not parallel light, there arises a problem that the resolution on the retina is degraded.

特許文献1、2ではこのような波面形状変更手段の動作による問題に対する考慮がなされていない。   Patent Documents 1 and 2 do not consider the problem caused by the operation of such wavefront shape changing means.

図10にユーザに表示される画像の例を示す。図10において、1001はビーム走査表示装置が画像を表示可能な表示可能領域を示す。本発明のビーム走査型表示装置は表示可能領域1001内に、任意の大きさの画像を表示することができる。図10では、表示可能領域1001の全体に、表示画像1003が表示されている例である。この例では、ユーザに対して水平方向の視野角が100度の非常に広視野角の画像が表示されている。前述したとおり、このような広視野の表示画像1003に対して、全ての画素がユーザに鮮明に見えるように走査ビームのビームウェスト位置を最適に設定することは難しい。しかしながら人間の視覚特性として、人間が画像を鮮明に認識することができるのは視線を中心視とした±5度程度の領域(中心視野)に限定される。図10において、ユーザのある時点での中心視野の例を1002で示す。この時、表示画像1003の画素のうち、ユーザが鮮明に認識することができるのは中心視野1002の部分だけであり、それ以外の領域の画素がボケてしまっていてもユーザは画素がボケていることを認識することができない。つまり、ユーザの視線方向から現在の中心視野1002を特定し、表示画像1003の画素の内、中心視野1002に含まれる画素がユーザに鮮明に見えるように走査ビームのビームウェスト位置を制御することができれば、ユーザは画素のボケを認識することができないため、表示画像の劣化を防止することが可能になる。   FIG. 10 shows an example of an image displayed to the user. In FIG. 10, reference numeral 1001 denotes a displayable area where the beam scanning display device can display an image. The beam scanning display device of the present invention can display an image of an arbitrary size in the displayable area 1001. FIG. 10 shows an example in which a display image 1003 is displayed on the entire displayable area 1001. In this example, a very wide viewing angle image with a horizontal viewing angle of 100 degrees is displayed to the user. As described above, it is difficult to optimally set the beam waist position of the scanning beam for such a wide-field display image 1003 so that all pixels are clearly visible to the user. However, as a human visual characteristic, a person can clearly recognize an image only in an area of about ± 5 degrees (center visual field) with the line of sight as the central view. In FIG. 10, an example of the central visual field at a certain point of time of the user is indicated by 1002. At this time, among the pixels of the display image 1003, the user can clearly recognize only the portion of the central visual field 1002, and even if the pixels in other regions are blurred, the user is blurred. I can not recognize that. That is, the current central visual field 1002 is specified from the user's line-of-sight direction, and the beam waist position of the scanning beam is controlled so that the pixels included in the central visual field 1002 among the pixels of the display image 1003 are clearly visible to the user. If possible, since the user cannot recognize the blur of the pixel, the display image can be prevented from being deteriorated.

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、画像内で画素を鮮明に表示する必要のある領域を逐次判定しながら、波面形状変更手段の光学部品の駆動幅を適切に変化させることで、ユーザが認識する画像の劣化を防ぐことを目的とする。   The present invention solves the above-described problem. In the beam scanning display device, the drive width of the optical component of the wavefront shape changing means is appropriately changed while sequentially determining the area where the pixels need to be clearly displayed in the image. The purpose is to prevent the deterioration of the image recognized by the user.

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、
前記波面形状変更手段は、前記走査手段の動作に同期して、単振動駆動する光学部品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 wavefront shape changing unit includes an optical component that is driven by simple vibration in synchronization with the operation of the scanning unit.

本構成によって、高速な走査手段の動作に追従して走査ビームのビームウェスト位置を変更することができ、表示画像の高画質化を計ることが可能になる。   With this configuration, the beam waist position of the scanning beam can be changed following the operation of the high-speed scanning means, and the display image can be improved in image quality.

また本発明の前記走査手段は、前記偏向手段上で走査ビームが入射される走査領域において、
垂直方向の走査を、水平方向の走査よりも高速に行い、
前記波面形状変更手段は、前記走査手段の水平方向の走査に同期して、
記光学部品を単振動駆動することを特徴とする。
In the scanning region where the scanning beam is incident on the deflecting unit,
Do vertical scanning faster than horizontal scanning,
The wavefront shape changing means is synchronized with the scanning in the horizontal direction of the scanning means,
The optical component is driven by a single vibration.

本構成によって、単振動駆動の速度を低減させることができ、波面形状制御手段の動作を簡易化することが可能になる。   With this configuration, the speed of the single vibration drive can be reduced, and the operation of the wavefront shape control means can be simplified.

また本発明のビーム走査型表示装置は、ユーザの視線を検出する視線検出手段を備え、
前記視線検出手段の検出結果に応じて、前記波面形状変更手段は、単振動する光学部品の振幅を変更することを特徴とする。
In addition, the beam scanning display device of the present invention includes line-of-sight detection means for detecting the line of sight of the user,
The wavefront shape changing unit changes the amplitude of the optical component that simply vibrates in accordance with the detection result of the line-of-sight detection unit.

本構成によって、ユーザの視力が高い部分に表示さえる画質のボケを防止することが可能になる。   With this configuration, it is possible to prevent blurring of image quality displayed in a portion where the user's visual acuity is high.

また本発明の走査手段は前記偏向手段に斜めにビームを入射し、
前記偏向手段上で走査ビームが入射される走査領域において、
前記走査領域とユーザの視線の交点を注視点とし、前記注視点と前記走査手段の距離である注視距離が長いほど、
前記波面形状変更手段は、前記注視距離が短い場合よりも、前記光学部品の振幅を小さくすることを特徴とする。
The scanning means of the present invention injects a beam obliquely to the deflecting means,
In the scanning region where the scanning beam is incident on the deflecting means,
The intersection of the scanning area and the user's line of sight is the gaze point, and the longer the gaze distance, which is the distance between the gaze point and the scanning means,
The wavefront shape changing means makes the amplitude of the optical component smaller than when the gaze distance is short.

本構成によって、ユーザの視線の移動に伴って、ユーザの中心視野の範囲内における画像がボケてしまうことを防止することが可能になる。   With this configuration, it is possible to prevent the image in the range of the central visual field of the user from being blurred as the user's line of sight moves.

また本発明のビーム走査表示装置は、前記注視距離は、前記注視点と前記走査手段の水平方向の距離であることを特徴とする。   In the beam scanning display device of the present invention, the gaze distance is a horizontal distance between the gaze point and the scanning unit.

本構成によって最適なビームウェスト位置の変化が大きい水平方向に追従して、波面形状制御手段を動作させることが可能になる。   With this configuration, the wavefront shape control means can be operated following the horizontal direction in which the change in the optimum beam waist position is large.

また本発明の波面形状変更手段は、
前記偏向手段上で走査ビームが入射される走査領域において、前記走査領域内で画像が表示される画像表示位置に応じて、
単振動する光学部品の駆動幅を変更することを特徴とする。
The wavefront shape changing means of the present invention is
In the scanning area where the scanning beam is incident on the deflection unit, according to the image display position where the image is displayed in the scanning area,
The drive width of the optical component that simply vibrates is changed.

本構成によって、ビーム走査型表示装置が画像を表示可能な領域の一部分にのみ画像を表示する際には、視線検出などの余分な処理なしに、表示画像がボケることを防ぐことが可能になる。   With this configuration, when the beam scanning display device displays an image only in a part of a region where the image can be displayed, it is possible to prevent the display image from being blurred without extra processing such as eye gaze detection. Become.

また本発明の走査手段は、前記偏向手段に斜めにビームを入射し、
前記画像表示位置の前記走査手段との距離である表示距離が長いほど、
前記波面形状変更手段は、前記表示距離が短い場合よりも、前記光学部品の振幅を小さくすることを特徴とする
本構成によって、走査領域内で画像が表示される位置によって、画像がボケてしまうことを防止することが可能になる。
Further, the scanning means of the present invention makes a beam incident on the deflecting means obliquely,
The longer the display distance, which is the distance between the image display position and the scanning means,
The wavefront shape changing means makes the amplitude of the optical component smaller than when the display distance is short. With this configuration, the image is blurred depending on the position where the image is displayed in the scanning region. It becomes possible to prevent this.

また本発明のビーム走査型表示装置は、ユーザの視線を検出する視線検出手段を備え、
前記走査領域内の画像表示位置が、
ユーザの視線と前記走査領域の交点である注視点を中心とする中心視野の範囲を超える場合に、前記視線検出手段の検出結果に応じて、前記波面形状変更手段は、単振動する光学部品の駆動幅を変更することを特徴とする。
In addition, the beam scanning display device of the present invention includes line-of-sight detection means for detecting the line of sight of the user,
The image display position in the scanning area is
When exceeding the range of the central visual field centered on the gazing point that is the intersection of the user's line of sight and the scanning area, the wavefront shape changing unit is configured to detect the vibration of the optical component that simply vibrates according to the detection result of the line of sight detection unit. The drive width is changed.

本構成によって、走査領域内に小さな画像を表示する際には、視線検出などの余分な処理を行わずに表示画像がボケることを防ぐ処理を行うことが可能になる。   With this configuration, when a small image is displayed in the scanning area, it is possible to perform processing for preventing the display image from blurring without performing extra processing such as eye gaze detection.

画像内で画素を鮮明に表示する必要のある領域を逐次判定しながら、波面形状変更手段の光学部品の駆動幅を適切に変化させることで、ユーザが認識する画像の劣化を防ぐ。   By appropriately changing the drive width of the optical component of the wavefront shape changing means while sequentially determining the area where the pixels need to be clearly displayed in the image, deterioration of the image recognized by the user is prevented.

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 light sources 101 and 110 output beams. As shown in FIG. 2, the output beam is a laser beam obtained by combining the laser beams output from the red laser light source 211, the blue laser light source 212, and the green laser light source 213, and the output from each color laser light source is appropriately set. By modulating, laser light of any color can be output. Furthermore, an image can be displayed on the retina of the user's eye by performing modulation in conjunction with wavefront shape changing means and scanning means described later.

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 light sources 101 and 110 may include the light detection means 214 in FIG. The light detection means can detect the user's line-of-sight direction by detecting the intensity of the reflected light from the cornea of the user's eye. Most of the beams deflected in the direction of the eye by the deflecting means are incident on the corneal surface obliquely, but the beam from the front with respect to the eyeball is incident perpendicular to the corneal surface. Since the reflectance is relatively high, the line-of-sight direction can be detected by detecting the intensity of the reflected light.

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 light sources 101 and 110, respectively, so that the spot sizes of the beams deflected by the deflecting means 104 and 107 described later are within a predetermined range. To do.

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は水平方向のシリンドリカルレンズであり、202は垂直方向のシリンドリカルレンズであり、それぞれ単振動駆動することによって、水平方向および垂直方向の曲率を変更し、走査ビームの水平方向および垂直方向のビームウェスト位置を変更する。   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. Reference numeral 201 denotes a horizontal cylindrical lens, and 202 denotes a vertical cylindrical lens, which respectively changes the curvature in the horizontal direction and the vertical direction by being driven by simple vibrations, thereby changing the beam waist in the horizontal direction and the vertical direction of the scanning beam. Change the position.

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を用いて波面形状を変更するが、他の手段として、シリンドリカルレンズとミラーを組み合わせて、ミラーの方を単振動駆動することで走査ビームのビームウェスト位置を変更する方法を用いても良い(図9)。この場合、ミラーをMEMS(Micro−Electro−Mechanical−System)ミラーとして構成することで、より高速な駆動を行うことが可能になる。   The wavefront shape changing means in FIG. 2 uses a cylindrical lens to change the wavefront shape. However, as another means, a combination of a cylindrical lens and a mirror is used, and the mirror is driven by a single vibration to thereby generate a beam of the scanning beam. A method of changing the waist position may be used (FIG. 9). In this case, by configuring the mirror as a MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) mirror, it is possible to drive at higher speed.

またシリンドリカルレンズの代わりに、回折光学素子を用いても良い。この場合、光学素子が薄く軽量になるため、より高速な駆動を行うことが可能になる。   A diffractive optical element may be used instead of the cylindrical lens. In this case, since the optical element is thin and light, it is possible to drive at higher speed.

また液晶レンズや、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)などを用いて走査ビームのビームウェスト位置を変更する方法を用いてもよい。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。   Further, a method of changing the beam waist position of the scanning beam by using a liquid crystal lens, a deformable 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。   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.

なお、走査手段は水平走査用と垂直走査用のように2種以上の走査手段の組合せで実現してもよい。   The scanning unit may be realized by a combination of two or more types of scanning units, such as for horizontal scanning and vertical scanning.

なお、走査手段はミラーを物理的に傾ける方法に限定されず、レンズを移動したり、回折素子を回転する方法や、液晶レンズや可変形状レンズや、AO素子(音響光学素子)やEO素子(電気−光変換素子)などの偏向素子を用いる方法でもよい。   The scanning means is not limited to a method of physically tilting the mirror, but a method of moving a lens or rotating a diffraction element, a liquid crystal lens, a deformable lens, an AO element (acoustooptic element), an EO element ( A method using a deflection element such as an electro-optical conversion element) may also be used.

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 units 104 and 107 change the directions of the beams scanned by the scanning units 103 and 108, respectively, toward the user's eyes. In the deflecting means 104 and 107, for example, a photopolymer layer is formed on the inner side (eye side) of the spectacle lens, a Lippmann volume hologram is formed on the photopolymer layer, and the beam from the scanning means is transmitted to the user's eye. It is made to be diffracted and focused on the pupil. The photopolymer layer may be formed with multiple holograms reflecting red, green, and blue light from each light source, or three layers of holograms corresponding to each color light may be laminated. Good. In addition, by using the wavelength selectivity of the hologram, only light of the light source wavelength is diffracted, and light of wavelengths other than the light source wavelength that occupies most of the light from the outside world is not affected by diffraction, It can be a transmissive display.

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。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 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. The control means 105 and 108 include means for determining the contents to be displayed to the user.

図6に本実施の形態における制御手段105、111の機能ブロック図を示す。各機能ブロックの詳細については後述する。   FIG. 6 shows a functional block diagram of the control means 105 and 111 in the present embodiment. Details of each functional block will be described later.

なお、制御手段105、111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。   Note that the control means 105 and 111 may include a communication means for receiving a video / audio signal by wireless connection with a peripheral device such as a mobile phone. 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 headphone units 106 and 112 include speakers and output sound.

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変更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 changing 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、本実施の形態において画像内で画素を鮮明に表示する必要のある領域を逐次判定しながら、波面形状変更手段の駆動幅を適切に変化させ、画質の低下を防止する例を示す。なお、以下は簡単のためHMDにおいてユーザの左眼に対する表示に関してのみ説明を行うが、右目に付いても同様の処理が行われる。   Hereinafter, an example will be described in which the drive width of the wavefront shape changing unit is appropriately changed to prevent the image quality from being deteriorated while sequentially determining the area in the image where the pixels need to be clearly displayed in the present embodiment. For the sake of simplicity, only the display on the left eye of the user will be described in the HMD, but the same processing is performed for the right eye.

本実施の形態では、図7に示すステップ701〜703を実行することでユーザに表示する画質の劣化を防止する。   In this embodiment, the image quality displayed to the user is prevented from being deteriorated by executing steps 701 to 703 shown in FIG.

(ステップ701)最適化領域判定
本ステップでは最適化領域判定手段601が、表示可能領域1001のうち、走査ビームのビームウェスト位置を最適化することで画像を鮮明に表示すべき最適化領域を決定する。本ステップでは表示画像の判定と、視線位置の判定との二つの処理が行われる。
(Step 701) Optimization Region Determination In this step, the optimization region determination means 601 determines an optimization region in which an image should be clearly displayed by optimizing the beam waist position of the scanning beam in the displayable region 1001. To do. In this step, two processes are performed: display image determination and line-of-sight position determination.

・表示画像の判定
まず最適化領域判定手段601は、画像管理手段604からユーザに表示する画像の表示可能領域内での位置、水平方向のサイズ、垂直方向のサイズを取得する。表示画像1003は、図10に示すように表示可能領域1001全体に表示されるだけでなく、図11に示すように表示可能領域1002の一部にのみ表示される場合もある。図11のような表示は、例えば屋外でHMDを装着している場合などに、表示画像1003が外界をユーザが視認する妨げにならないようにする際などに行われる。ここで、表示画像1003の大きさが中心視野よりも小さく、かつ位置が固定されているのなら、ビーム走査表示装置は、ユーザの視線にかかわらず表示画像1003が表示される領域で常にビームウェスト位置が最適化するように制御すればよい。
Determination of Display Image First, the optimization area determination unit 601 acquires the position in the displayable area, the horizontal size, and the vertical size of the image displayed to the user from the image management unit 604. The display image 1003 is not only displayed in the entire displayable area 1001 as shown in FIG. 10, but may be displayed only in a part of the displayable area 1002 as shown in FIG. The display as shown in FIG. 11 is performed when the display image 1003 does not hinder the user from visually recognizing the outside world, for example, when the HMD is worn outdoors. Here, if the size of the display image 1003 is smaller than the central visual field and the position is fixed, the beam scanning display device always uses the beam waist in the region where the display image 1003 is displayed regardless of the line of sight of the user. What is necessary is just to control so that a position may be optimized.

ここで画像管理手段604から取得した表示画像1003の水平方向のサイズA、および垂直方向のサイズBが、最適化領域判定手段601が保持する中心視野1003のサイズDを下回っていた場合、最適化領域判定手段601は、画像管理手段604から取得した表示画像1003の表示位置を最適化領域Xとして決定する。   Here, when the horizontal size A and the vertical size B of the display image 1003 acquired from the image management unit 604 are smaller than the size D of the central visual field 1003 held by the optimization region determination unit 601, optimization is performed. The area determination unit 601 determines the display position of the display image 1003 acquired from the image management unit 604 as the optimization area X.

画像管理手段604から取得した表示画像1003の水平方向のサイズA、および垂直方向のサイズBが、最適化領域判定手段601が保持する中心視野1003のサイズDを上回っていた場合、最適化領域判定手段601は、ユーザの視線位置の判定を行う。   When the size A in the horizontal direction and the size B in the vertical direction of the display image 1003 acquired from the image management unit 604 exceed the size D of the central visual field 1003 held by the optimization region determination unit 601, the optimization region determination The means 601 determines the user's line-of-sight position.

なお最適化領域判定手段601が保持する中心視野のサイズDは、一般的な中心視野の視野角(約10度)に相当するサイズを、表示可能領域1001内でのサイズに換算したものでもよいし、HMDの入力デバイスから個々のユーザが独自に設定したものでも良い。後者の場合、中心視野の大きさの個人差を考慮した処理を行うことが可能になる。   Note that the size D of the central visual field held by the optimization region determining unit 601 may be a size corresponding to a general visual field angle (about 10 degrees) converted to a size within the displayable region 1001. However, it may be set by an individual user from the input device of the HMD. In the latter case, it is possible to perform processing in consideration of individual differences in the size of the central visual field.

・視線位置の判定
最適化領域判定手段601は、視線検出手段605からユーザの視線方向を取得し、表示可能領域1001内における、中心視野1002の場所を判定する。視線検出手段605は、ユーザの網膜あるいは角膜からの反射光を検出する光検出器214の出力を利用して、現在のユーザの視線方向を判定する。
The determination of the line-of-sight position The optimization area determination unit 601 acquires the user's line-of-sight direction from the line-of-sight detection unit 605 and determines the location of the central visual field 1002 within the displayable area 1001. The line-of-sight detection means 605 determines the current user's line-of-sight direction using the output of the photodetector 214 that detects the reflected light from the user's retina or cornea.

最適化領域判定手段601は、視線検出手段605から取得したユーザの視線方向に一致する視野角を最適化領域Xとして判定する。   The optimization region determination unit 601 determines, as the optimization region X, the viewing angle that matches the user's line-of-sight direction acquired from the line-of-sight detection unit 605.

最適化領域判定手段601が最適化領域Xを判定すると、その情報を駆動幅判定手段602に通知する。   When the optimization region determination unit 601 determines the optimization region X, the information is notified to the drive width determination unit 602.

(ステップ702)駆動幅決定
本ステップでは、駆動幅判定手段602が、前ステップで判定された最適化領域Xの値から、波面形状変更手段102における光学部品の駆動幅変更の必要性を判断する。
(Step 702) Drive Width Determination In this step, the drive width determination unit 602 determines the necessity of changing the drive width of the optical component in the wavefront shape changing unit 102 from the value of the optimization region X determined in the previous step. .

本実施の形態では、駆動幅判定手段602は、まず前ステップで判定された最適化領域Xのビームウェスト位置を最適化するための、波面形状変更手段102の駆動幅を判定する。なお本実施の形態では、図2に示すように水平方向のビームウェスト位置は単振動レンズ201によって、垂直方向のビームウェスト位置は単振動レンズ202によって、独立に制御される。そのため、波面形状変更手段の駆動幅変更の必要性は水平方向と垂直方向のそれぞれで行われる。   In the present embodiment, the drive width determination unit 602 first determines the drive width of the wavefront shape changing unit 102 for optimizing the beam waist position of the optimization region X determined in the previous step. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the horizontal beam waist position is independently controlled by the single vibration lens 201, and the vertical beam waist position is independently controlled by the single vibration lens 202. Therefore, the necessity of changing the driving width of the wavefront shape changing means is performed in each of the horizontal direction and the vertical direction.

駆動幅判定手段602は、図8に示すような波面形状変更手段の駆動幅と、それによって最適化される領域の関係表を保持する。図8の例は水平方向のビームウェスト位置に関する例であり、例えば水平方向の視野角が0度の部分(表示可能領域1001の中央)の水平方向のビームウェスト位置を最適化するためには、波面形状変更手段の駆動幅(本実施の形態では、水平方向用の単振動レンズ201の駆動幅)を±0.4mmにする必要があることを示している。駆動幅判定手段602は、この関係表から最適化領域Xの水平方向のビームウェスト位置を最適化するための波面形状制御手段の駆動幅α0を判定する。   The drive width determination unit 602 holds a relationship table between the drive widths of the wavefront shape changing unit as shown in FIG. 8 and the regions optimized thereby. The example of FIG. 8 is an example relating to the horizontal beam waist position. For example, in order to optimize the horizontal beam waist position of the portion where the horizontal viewing angle is 0 degrees (the center of the displayable area 1001), This indicates that the driving width of the wavefront shape changing means (in this embodiment, the driving width of the single vibration lens 201 for the horizontal direction) needs to be ± 0.4 mm. The drive width determination means 602 determines the drive width α0 of the wavefront shape control means for optimizing the horizontal beam waist position of the optimization region X from this relation table.

駆動幅判定手段602は垂直方向のビームウェスト位置に関しても図8と同様の関係表を保持することで、最適化領域Xの垂直方向のビームウェスト位置を最適化するための波面形状変更手段の駆動幅(本実施の形態では垂直方向用の単振動レンズ202の駆動幅)β0を判定する。   The drive width determination unit 602 holds the same relationship table as in FIG. 8 for the vertical beam waist position, thereby driving the wavefront shape changing unit for optimizing the vertical beam waist position of the optimization region X. The width (driving width of the single vibration lens 202 for the vertical direction in this embodiment) β0 is determined.

α0、β0の判定後、ビーム駆動幅判定手段602は、現在の水平方向用の単振動レンズ201の駆動幅α1と、垂直方向用の単振動レンズ202の駆動幅β1を、それぞれα0、β0と比較する。   After the determination of α0 and β0, the beam drive width determination means 602 sets the current drive width α1 of the horizontal vibration lens 201 and the drive width β1 of the vertical vibration lens 202 to α0 and β0, respectively. Compare.

ここでα0とα1、およびβ0とβ1の値が一致した場合、ビーム駆動幅判定手段602は、既にビームウェスト位置が最適化されていると判断し処理を終了する。それ以外の場合、ビーム駆動幅判定手段602は、α0、β0の値を駆動距離変更手段603に通知する。   If the values of α0 and α1 and β0 and β1 coincide with each other, the beam driving width determination unit 602 determines that the beam waist position has already been optimized and ends the processing. In other cases, the beam driving width determination unit 602 notifies the driving distance changing unit 603 of the values of α0 and β0.

(ステップ703)駆動幅変更
本ステップでは、駆動幅変更手段603が、ステップ702で決定された駆動幅α0およびβ0で波面形状変更手段の単振動レンズ201、202が動作するように制御を行う。
(Step 703) Drive Width Change In this step, the drive width change means 603 controls the single vibration lenses 201 and 202 of the wavefront shape change means to operate with the drive widths α0 and β0 determined in step 702.

駆動幅変更手段は、波面形状変更手段102にα1、β1の値を通知することで、単振動レンズ201および202の駆動幅を変更し、最適化領域のビームウェスト位置を最適化する。   The drive width changing unit notifies the wavefront shape changing unit 102 of the values of α1 and β1, thereby changing the drive widths of the single vibration lenses 201 and 202 and optimizing the beam waist position in the optimization region.

上記の処理を行うことで、光学部品を単振動することで高速にビームウェスト位置を変更しながら、ユーザの中心視野、もしくは表示可能領域内の特定部分の画素を常に鮮明に表示するがことが可能になり、広視野の映像表示を実現することができる。   By performing the above processing, it is possible to always clearly display the pixel in the central field of view of the user or a specific portion within the displayable area while changing the beam waist position at high speed by simply vibrating the optical component. It becomes possible, and a wide-field video display can be realized.

なお本実施の形態では、波面形状変更手段102は図2に示すように単振動レンズ201、202を単振動させる方法を用いたが、図9に示すようにレンズとミラーを組み合わせてミラーの方を単振動駆動させる方法を用いても良い。この時、図8に示す関係表は、レンズの駆動距離ではなく、ミラーの駆動距離と、それによってビームウェスト位置が最適化される水平、もしくは垂直方向の領域を示すものが、駆動幅判定手段602によって保持されることになる。この場合、ミラーを高速に動作させることで、表示する画像のフレームレートや画素数を向上させることが可能になる。   In the present embodiment, the wavefront shape changing means 102 uses a method of causing the simple vibrating lenses 201 and 202 to vibrate simply as shown in FIG. 2, but as shown in FIG. Alternatively, a method of driving with a single vibration may be used. At this time, the relationship table shown in FIG. 8 shows not the lens driving distance but the mirror driving distance and the horizontal or vertical region in which the beam waist position is optimized thereby. 602 will be held. In this case, it is possible to improve the frame rate and the number of pixels of the image to be displayed by operating the mirror at high speed.

(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、波面形状変更手段の光学部品の駆動幅を変化させることで、画質の低下を防止する方法について例示する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, when a HUD (Head Up Display) mounted on a vehicle or an aircraft is realized by a beam scanning display device, by changing the drive width of the optical component of the wavefront shape changing means, the image quality can be improved. A method for preventing the decrease will be exemplified.

図12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13に鳥瞰図を示す。   FIG. 12 is a side view of a laser scanning type HUD (head-up display) according to Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 13 is a bird's-eye view.

車1201の内部に、レーザ走査ユニット1202が埋め込まれている。レーザ走査ユニット1202は車のフロントガラス1203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 laser scanning unit 1202 is embedded inside the car 1201. The laser scanning unit 1202 is attached below the windshield 1203 of the car, and is arranged inside the instrument panel in the present embodiment to save space of the display device.

なおレーザ走査ユニット1202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1202の交換や位置の変更が容易になる。   The laser scanning unit 1202 may be arranged outside the instrument panel, not inside the instrument panel. In this case, the laser scanning unit 1202 can be easily replaced and the position can be changed.

レーザ走査ユニット1202によって走査された光はフロントガラス1203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1204を通過し、ドライバー1205の眼球1206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1203越しに外界風景を確認しながら、レーザ走査ユニット1202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1204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 laser scanning unit 1202 is reflected by the deflecting unit 104 attached to the windshield 1203, passes through the half mirror 1204, and reaches the eyeball 1206 of the driver 1205 so that an image is visually recognized. In such a HUD, it is possible to see the map information and warning information displayed by the laser scanning unit 1202 while confirming the scenery of the outside world through the windshield 1203, thereby improving the safety and convenience of the driver. Become. The reflected light of the laser projected on the user's retina is reflected by the half mirror 1204 installed in front of the user's eyes and detected by the light detection means 214.

なお本実施の形態ではレーザ走査ユニット1202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13に示すようにレーザ走査ユニット1202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1203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1203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, the laser scanning unit 1202 includes a light source 101, a wavefront shape changing unit 102, a scanning unit 103, and a control circuit 105. As shown in FIG. 13, the laser scanning unit 1202 is installed not on the user's front but on the side mirror side, and projects laser light obliquely onto the windshield 1203. By adopting such a configuration, it is possible to increase the degree of freedom of the place where the laser scanning unit 1203 is arranged, and there is an effect of improving the design of the vehicle.

なお偏向手段104はフロントガラス1203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1203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 windshield 1203. In this case, when the display on the display is unnecessary, the changing means 104 is removed, so that the transparency of the windshield 1203 can be maintained and the safety of the driver can be improved.

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 unit 104 may reflect the light from the scanning unit not toward one of the eyes of the user but to the eyes of the user. In this case, the video can be displayed on both eyes of the user by one change means 104.

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 half mirror 1304 is installed in front of the user's eyes so that the reflected light from the user's retina is reflected to the light detection unit 214. The half mirror 1304 is attached to the car ceiling 1307 by a support bar 1308, and this structure detects the spot size on the user's retina without forcing the device to be mounted on the user's head. Can do. The half mirror 1304 and the light detector 214 may be installed not on the ceiling of the car but on the driver's glasses or hat. In this case, even if the driver's head moves back and forth, the possibility that the head contacts the half mirror is reduced, so that the driver's safety can be improved.

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において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 control circuit 105 is installed inside the instrument panel. However, the communication between the light detection means 214 and the control circuit 105 has a wired cable inside the car. May be performed by wireless communication.

本実施の形態において、図12のビーム走査型表示装置は、図7に示すステップ701〜3を実行し、波面形状変更手段の光学部品の駆動幅を変えることで、ユーザが画質の劣化に気付くことを防止する。なおステップ701〜703の処理の内容は実施の形態7と同様である。   In the present embodiment, the beam scanning display apparatus of FIG. 12 executes steps 701 to 3 shown in FIG. 7 and changes the driving width of the optical component of the wavefront shape changing unit, so that the user notices the deterioration of the image quality. To prevent that. The contents of the processing in steps 701 to 703 are the same as those in the seventh embodiment.

なお図12においてはユーザの目は一つしか示されていないが、レーザ走査ユニット1202、変更手段104、光検出手段214をもう一組用意し、両目に対してビームの曲率半径の制御を行っても良い。   Although only one user's eye is shown in FIG. 12, another set of laser scanning unit 1202, changing means 104, and light detecting means 214 is prepared, and the curvature radius of the beam is controlled for both eyes. May be.

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、ビーム径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 has a beam diameter changing means and the like, and can be applied to uses such as a display device, a display system, a display method, and a display program.

本発明の実施の形態1におけるビーム走査型表示装置の構成図1 is a configuration diagram of a beam scanning display device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1におけるビーム走査型表示装置の詳細構成図1 is a detailed configuration diagram of a beam scanning display device according to Embodiment 1 of the present invention. 眼球への入射光を平行光にするための入射レーザのビームウェスト位置の例を示す図The figure which shows the example of the beam waist position of the incident laser for making incident light to an eyeball into parallel light 最適ビームウェスト位置と、単振動レンズによって実現されるビームウェスト位置の例を示す図The figure which shows the example of the optimal beam waist position and the beam waist position realized by the single vibration lens 最適ビームウェスト位置と、単振動レンズによって実現されるビームウェスト位置の例を示す図The figure which shows the example of the optimal beam waist position and the beam waist position realized by the single vibration lens 本発明の実施の形態1における制御手段の機能ブロック図Functional block diagram of control means in Embodiment 1 of the present invention 本発明における波面形状変更手段の駆動幅を変更するフローチャートThe flowchart which changes the drive width of the wavefront shape change means in this invention 本発明の実施の形態1における波面形状変更手段の駆動幅と、ビームウェスト位置が最適化される領域の関係表の例を示す図The figure which shows the example of the relationship table of the area | region where the drive width of the wave-front shape change means in Embodiment 1 of this invention and a beam waist position are optimized 本発明の実施の形態1におけるビーム走査型表示装置の詳細構成図1 is a detailed configuration diagram of a beam scanning display device according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1における表示画像と中心視野の例を示す図The figure which shows the example of the display image and center visual field in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における表示画像と中心視野の例を示す図The figure which shows the example of the display image and center visual field in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるビーム走査型表示装置の構成図Configuration diagram of a beam scanning display device in a second embodiment of the present invention 本発明の実施の形態2におけるビーム走査型表示装置の鳥瞰図Bird's-eye view of the beam scanning display device in the second embodiment of the present invention

符号の説明Explanation of symbols

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-eye light source 102 Left-eye wavefront shape changing means 103 Left-eye scanning means 104 Left-eye deflection means 105 Left-eye control means 106 Left-eye headphone unit 110 Right-eye light source 109 Right-eye wavefront shape changing means 108 right-eye scanning means 107 right-eye deflection means 111 right-eye control means 112 right-eye headphone unit 201 focal length horizontal component changing means 202 focal length vertical component changing means 211 red laser light source 212 blue laser light source 213 green laser light source 214 Photodetection means

Claims (8)

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、
前記波面形状変更手段は、前記走査手段の動作に同期して単振動駆動する光学部品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;
A beam scanning display device comprising: deflection means for changing a beam scanned by the scanning means in a direction toward the user's eye;
The beam scanning display device, wherein the wavefront shape changing unit includes an optical component that is driven by simple vibration in synchronization with the operation of the scanning unit.
前記走査手段は、前記偏向手段上で走査ビームが入射される走査領域において、
垂直方向の走査を、水平方向の走査よりも高速に行い、
前記波面形状変更手段は、前記走査手段の水平方向の走査に同期して、
前記光学部品を単振動駆動することを特徴とする請求項1に記載のビーム走査型表示装置。
In the scanning region where the scanning beam is incident on the deflection unit, the scanning unit
Do vertical scanning faster than horizontal scanning,
The wavefront shape changing means is synchronized with the scanning in the horizontal direction of the scanning means,
The beam scanning display device according to claim 1, wherein the optical component is driven by a single vibration.
ユーザの視線を検出する視線検出手段を備え、
前記視線検出手段の検出結果に応じて、前記波面形状変更手段は、単振動する光学部品の振幅を変更することを特徴とする請求項1または2に記載のビーム走査型表示装置。
Provided with gaze detection means for detecting the gaze of the user,
3. The beam scanning display device according to claim 1, wherein the wavefront shape changing unit changes the amplitude of a single vibration optical component in accordance with a detection result of the line-of-sight detection unit.
前記走査手段は、前記偏向手段に斜めにビームを入射し、
前記偏向手段上で走査ビームが入射される走査領域において、
前記走査領域とユーザの視線の交点を注視点とし、前記注視点と前記走査手段の距離である注視距離が長いほど、
前記波面形状変更手段は、前記注視距離が短い場合よりも、前記光学部品の振幅を小さくすることを特徴とする請求項3に記載のビーム走査型表示装置。
The scanning means obliquely enters the deflecting means;
In the scanning region where the scanning beam is incident on the deflecting means,
The intersection of the scanning area and the user's line of sight is the gaze point, and the longer the gaze distance, which is the distance between the gaze point and the scanning means,
The beam scanning display device according to claim 3, wherein the wavefront shape changing unit reduces the amplitude of the optical component as compared with a case where the gaze distance is short.
前記注視距離は、前記注視点と前記走査手段の水平方向の距離であることを特徴とする請求項4に記載のビーム走査型表示装置。 The beam scanning display device according to claim 4, wherein the gaze distance is a horizontal distance between the gaze point and the scanning unit. 前記波面形状変更手段は、
前記偏向手段上で走査ビームが入射される走査領域において、前記走査領域内で画像が表示される画像表示位置に応じて、
単振動する光学部品の駆動幅を変更することを特徴とする請求項1または2に記載のビーム走査型表示装置。
The wavefront shape changing means is
In the scanning area where the scanning beam is incident on the deflection unit, according to the image display position where the image is displayed in the scanning area,
3. The beam scanning display device according to claim 1, wherein the driving width of the optical component that vibrates is changed.
前記走査手段は、前記偏向手段に斜めにビームを入射し、
前記画像表示位置の前記走査手段との距離である表示距離が長いほど、
前記波面形状変更手段は、前記表示距離が短い場合よりも、前記光学部品の振幅を小さくすることを特徴とする請求項6に記載のビーム走査型表示装置。
The scanning means obliquely enters the deflecting means;
The longer the display distance, which is the distance between the image display position and the scanning means,
The beam scanning display device according to claim 6, wherein the wavefront shape changing unit makes the amplitude of the optical component smaller than when the display distance is short.
ユーザの視線を検出する視線検出手段を備え、
前記走査領域内の画像表示位置が、
ユーザの視線と前記走査領域の交点である注視点を中心とする中心視野の範囲を超える場合に、前記視線検出手段の検出結果に応じて、前記波面形状変更手段は、単振動する光学部品の駆動幅を変更することを特徴とする請求項7に記載のビーム走査型表示装置。
Provided with gaze detection means for detecting the gaze of the user,
The image display position in the scanning area is
When exceeding the range of the central visual field centered on the gazing point that is the intersection of the user's line of sight and the scanning area, the wavefront shape changing unit is configured to detect the vibration of the optical component that simply vibrates according to the detection result of the line of sight detection unit. 8. The beam scanning display device according to claim 7, wherein the driving width is changed.
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