JP4107102B2

JP4107102B2 - Image display device

Info

Publication number: JP4107102B2
Application number: JP2003041930A
Authority: JP
Inventors: 光由渡▲なべ▼; 祥治山田
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2023-02-20
Also published as: JP2003315728A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光束を走査して眼の網膜に直接画像を投影する画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年レーザ、ＬＥＤ等の光源が発する微弱な光束を２次元光走査装置で走査して観察者の瞳孔に投入することにより網膜上に直接描画を行う、いわゆる網膜走査型ディスプレイと呼ばれる装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この網膜走査型ディスプレイは、例えば、眼鏡と同様に観察者の頭部に装着して使用するように構成されており、高精細で画角の大きな画像を提供することができる。このような網膜走査型ディスプレイには、観察者の眼に入射する画像の奥行きを表現する手段として、発生された光束の波面曲率を変調する波面曲率変調手段が設けられている。
【０００３】
ここで、波面曲率について説明する。光源から発した光は、光源を中心とした全方位に等速、同位相で進む光の波、いわゆる等位球面波として伝搬されるが、光源と観察者との距離に応じてその球面波の持つ曲率半径が異なってくる。光源が近ければ曲率半径の小さい像として、また、光源が遠ければ曲率半径の大きい像として観察者の眼に入射される。観察者はピント合わせ動作を介してこの曲率半径のずれを認識し、遠近感を感じることができる。波面曲率変調手段は、光源が任意の距離に存在するかのように観察者の眼に入射することができ、自然な立体視を可能としている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２８７４２０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の画像表示装置では、波面曲率変調手段による波面曲率の変調周波数が、画像を形成するために画素ごとに変調をかける周波数、いわゆるビデオレートと比べるとかなり遅く、立体視における焦点変動を自然に表現することが実現できなかった。そのため、自然な立体視を表現できる画像表示装置が望まれていた。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、波面曲率の変調周波数がビデオレートと比べて遅い状態でも、自然な立体視の表現が可能な画像表示装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の画像表示装置は、少なくとも１つの光源と、当該光源から出射される光束を画像信号に応じて強度変調する変調手段と、当該変調手段によって変調された光束を観察者の瞳孔に入射するための光学手段と、当該光学手段によって入射した光束を、第１の方向及びその第１の方向にほぼ垂直な第２の方向に走査させながらフレームを形成し、そのフレームを経時的に切り換えることによって前記観察者の網膜に画像を表示する画像表示装置において、前記光束の波面曲率を変調する波面曲率変調手段を備え、前記波面曲率変調手段は、前記第１の方向又は前記第２の方向の走査を開始させる同期信号に周期的に同期して前記光束の波面曲率を変調することを特徴とする構成となっている。
【０００８】
この構成の画像表示装置では、変調手段が、画像信号に応じて少なくとも１つの光源から出射される光束を強度変調し、光学手段が、変調された光束を観察者の瞳孔に入射し、波面曲率変調手段が、第１の方向又は前記第２の方向の走査を開始させる同期信号に周期的に同期して光束の波面曲率を変調するので、この光束を、第１の方向及び第２の方向に走査させながらフレームを形成し、三角関数的に遠近感の変化する画像として観察者の網膜に画像を表示することができる。
【０００９】
また、請求項２に係る発明の画像表示装置は、少なくとも１つの光源と、当該光源から出射される光束を画像信号に応じて強度変調する変調手段と、当該変調手段によって変調された光束を観察者の瞳孔に入射するための光学手段と、当該光学手段によって入射した光束を、第１の方向及びその第１の方向にほぼ垂直な第２の方向に走査させながらフレームを形成し、そのフレームを経時的に切り換えることによって前記観察者の網膜に画像を表示する画像表示装置において、前記光束の波面曲率を変調する波面曲率変調手段を備え、前記波面曲率変調手段は、少なくとも同一のフレーム内においては、前記光束の波面曲率を略同一とし、フレームの切り換え時のみにおいて前記光束の波面曲率を変調することを特徴とする構成となっている。
【００１０】
この構成の画像表示装置では、変調手段が、画像信号に応じて少なくとも１つの光源から出射される光束を強度変調し、光学手段が、変調された光束を観察者の瞳孔に入射し、波面曲率変調手段が、入射される光束が第１の方向及びその第１の方向にほぼ垂直な第２の方向に走査されて形成されるフレームの、少なくとも同一のフレーム内においては、光束の波面曲率を略同一となるように変調し、フレームの切り換え時のみにおいて光束の波面曲率を変調するので、この光束で形成されるフレームを経時的に切り換えることによって、観察者の網膜に画像を表示することができる。
【００１１】
また、請求項３に係る発明の画像表示装置は、請求項２に記載の発明の構成に加え、前記波面曲率変調手段は、前記フレームの切り換えごとに前記光束の波面曲率を変調することを特徴とする構成となっている。
【００１２】
この構成の画像表示装置では、請求項２に係る発明の作用に加え、波面曲率変調手段が、フレームの切り換えごとに光束の波面曲率を変調することができる。
【００１３】
また、請求項４に係る発明の画像表示装置は、請求項２又は３に記載の発明の構成に加え、前記波面曲率変調手段は、前記第１の方向又は前記第２の方向の走査を開始させる同期信号に周期的に同期して波面曲率を変調することを特徴とする構成となっている。
【００１４】
この構成の画像表示装置では、請求項２又は３に係る発明の作用に加え、波面曲率変調手段が、第１の方向又は第２の方向の走査を開始させる同期信号に周期的に同期して波面曲率を変調することができる。
【００１５】
また、請求項５に係る発明の画像表示装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記波面曲率変調手段は、前記第１の方向及び前記第２の方向の走査のうち、走査周波数が高い方向の走査中において前記光束の波面曲率を略同一とし、走査周波数が低い方向の走査を開始させる同期信号に同期して波面曲率を変調することを特徴とする構成となっている。
【００１６】
この構成の画像表示装置では、請求項１に係る発明の作用に加え、波面曲率変調手段が、第１の方向及び第２の方向の走査のうち、走査周波数が高い方向の走査中において光束の波面曲率を略同一とし、走査周波数が低い方向の走査を開始させる同期信号に同期して波面曲率を変調することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る画像表示装置の一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、本発明に係る網膜走査型ディスプレイ１の構成について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、網膜走査型ディスプレイ１の全体構成を示す全体構成図である。図２は、波面曲率変調手段１００の構成を示す構成図である。
【００１８】
図１に示すように、網膜走査型ディスプレイ１には、外部から供給される映像信号を処理するための光源ユニット部２が設けられている。光源ユニット部２には、外部からの映像信号が入力され、それに基づいて画像を合成するための要素となる各信号を発生する映像信号供給回路３が設けられ、この映像信号供給回路３から映像信号４、水平同期信号５、垂直同期信号６、及び奥行き信号７が出力される。また、光源ユニット部２には、映像信号供給回路３から映像信号４として伝達される赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各映像信号をもとにそれぞれレーザ光を出射する、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１を、それぞれ駆動するためのＲレーザドライバ１０，Ｇレーザドライバ９，Ｂレーザドライバ８が設けられている。さらに、各レーザより出射されたレーザ光を平行光にコリメートするように設けられた第１コリメート光学系１４と、それぞれコリメートされたレーザ光を合成するダイクロイックミラー１５と、合成されたレーザ光を光ファイバ１７に導く結合光学系１６とが設けられている。尚、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１として、レーザダイオード等の半導体レーザや固体レーザを利用してもよい。また、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１が、本発明における光源であり、光源ユニット部２が、本発明における変調手段である。
【００１９】
また、網膜走査型ディスプレイ１には、光源ユニット部２から伝搬されたレーザ光を再度平行光にコリメートする第２コリメート光学系１８と、コリメートされたレーザ光を変調するための波面曲率変調手段１００と、変調されたレーザ光をポリゴンミラー１９ａを利用して水平方向に走査する水平走査系１９と、水平走査系１９に走査され第１リレー光学系２０を介して入射されたレーザ光を、ガルバノミラー２１ａを利用して垂直方向に走査する垂直走査系２１とが設けられ、垂直走査系２１に走査されたレーザ光を観察者の瞳孔２４に入射するように第２リレー光学系２２が設けられている。第１リレー光学系２０は、水平走査系１９のポリゴンミラー１９ａ上で結像されるレーザ光と、垂直走査系２１のガルバノミラー２１ａ上で結像されるレーザ光とが共役となるように、また、第２リレー光学系２２は、ガルバノミラー２１ａ上で結像されるレーザ光と、観察者の瞳孔２４の位置で結像されるレーザ光とが共役となるように、各々設けられている。尚、第２リレー光学系２２が、本発明における光学手段である。
【００２０】
さらに、駆動回路２３は、映像信号供給回路３の出力する奥行き信号７に基づいて、波面曲率変調手段１００を駆動させるために設けられている。水平走査系１９，垂直走査系２１は各々映像信号供給回路３に接続され、映像信号供給回路３より出力される水平同期信号５，垂直同期信号６にそれぞれ同期してレーザ光を走査するように構成されている。
【００２１】
また、図２に示すように、波面曲率変調手段１００は、入射したレーザ光を透過光と、透過光の垂直方向に反射された反射光とに分離するビームスプリッタ１０１と、ビームスプリッタ１０１に反射されたレーザ光を収束する焦点距離ｆの凸レンズ１０２と、凸レンズ１０２に収束されたレーザ光を入射方向に反射する、可動可能な可動ミラー１０３とで構成されている。ビームスプリッタ１０１は、斜面に誘電体多層膜の施された直角プリズム２つが張り合わされたキューブ状の形状を成しており、その斜面１０１ａにおいて、入射光の光量の約５０％を直角方向に反射し、約５０％を透過するようになっている。
【００２２】
可動ミラー１０３は、例えばガラス等の透過性の板材の表面に金属膜の鏡面コートを施した反射面１０４ａを有するミラー１０４と、例えば圧電型のピエゾ素子を積層した圧電アクチュエータ１０５とで構成され、圧電アクチュエータ１０５は、駆動回路２３（図１参照）からの駆動電圧が印加されることで駆動され、圧電アクチュエータ１０５に固定したミラー１０４と凸レンズ１０２との位置関係が変動されるようになっている。可動ミラー１０３の可動方向はミラー１０４の鏡面に対し垂直方向（図中Ｘ軸方向）で、ビームスプリッタ１０１と凸レンズ１０２とを通過するレーザ光の光軸が直線上で一致するように構成されている。
【００２３】
次に、本発明に係る網膜走査型ディスプレイ１が、外部からの映像信号を受けてから、観察者の網膜上に画像を投影するまでの過程について、図１を参照して説明する。
【００２４】
図１に示すように、網膜走査型ディスプレイ１では、光源ユニット部２に設けられた映像信号供給回路３が外部からの映像信号の供給を受けると、映像信号供給回路３は、赤，緑，青の各色のレーザ光を出力させるためのＲ映像信号，Ｇ映像信号，Ｂ映像信号からなる映像信号４と、水平同期信号５と、垂直同期信号６と、奥行き信号７とを出力する。Ｒレーザドライバ１０，Ｇレーザドライバ９，Ｂレーザドライバ８は各々入力されたＲ映像信号，Ｇ映像信号，Ｂ映像信号に基づいてＲレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１に対してそれぞれの駆動信号を出力する。この駆動信号に基づいて、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１はそれぞれレーザ光を発生し、各々を第１コリメート光学系１４に出力する。点光源から発生されるレーザ光は、この第１コリメート光学系１４によってそれぞれが平行光にコリメートされ、さらに、ダイクロイックミラー１５に入射されて１つの光束となるよう合成された後、結合光学系１６によって光ファイバ１７に入射されるよう導かれる。
【００２５】
光ファイバ１７によって伝搬されたレーザ光は、光ファイバ１７から出射される際に第２コリメート光学系１８によって再度コリメートされ、波面曲率変調手段１００に入射される。この、波面曲率の変調を実現する波面曲率変調手段１００については後述する。
【００２６】
波面曲率変調手段１００から出射されたレーザ光は、水平走査系１９のポリゴンミラー１９ａの偏向面１９ｂに入射される。ポリゴンミラー１９ａは、図示外の光センサによって出力されたＢＤ（Beam Detector）信号をもとに回転速度が算出され、このＢＤ信号をもとに映像信号供給回路３の出力する水平同期信号５と同期するように等速回転の速度が調整されている。ポリゴンミラー１９ａの偏向面１９ｂに入射したレーザ光は水平方向に走査されて第１リレー光学系２０を介し、垂直走査系２１のガルバノミラー２１ａの偏向面２１ｂに対し出射される。第１リレー光学系２０ではポリゴンミラー１９ａの偏向面１９ｂ上で結像される像とガルバノミラー２１ａの偏向面２１ｂ上結像される像とが共役の関係となるように調整され、また、ポリゴンミラー１９ａの面倒れが補正されている。ガルバノミラー２１ａは、ポリゴンミラー１９ａと同様に垂直同期信号６に同期して、その偏向面２１ｂが入射光を垂直方向に反射するように往復振動をしており、このガルバノミラー２１ａによってレーザ光は垂直方向に走査される。水平走査系１９及び垂直走査系２１によって水平方向及び垂直方向に２次元に走査されたレーザ光は、ガルバノミラー２１ａの偏向面２１ｂ上で結像した像と、観察者の瞳孔２４の位置で結像する像とが共役の関係となるように設けられた第２リレー光学系２２により観察者の瞳孔２４から入射され、網膜上に投影される。観察者はこのように２次元走査されて眼に入射されたレーザ光により画像を認識することができる。
【００２７】
次に図２及び図３を参照して、網膜走査型ディスプレイ１における波面曲率の変調の方法について説明する。図３は、波面曲率変調手段１００によりレーザ光が変調される態様を示す模式図である。
【００２８】
図２に示すように、波面曲率変調手段１００のビームスプリッタ１０１には、第２コリメート光学系１８（図１参照）によって平行光にコリメートされたレーザ光が、入射光として＋Ｙ方向から入射される。入射されたレーザ光の光量のうち約５０％が斜面１０１ａで反射され、その反射方向（−Ｘ方向）に設けられた凸レンズ１０２に入射する。ところで、図１に示す、駆動回路２３より圧電アクチュエータ１０５に印加される駆動電圧が０または所定の基準値の場合（基準状態）、可動ミラー１０３のミラー１０４の反射面１０４ａは、凸レンズ１０２の主点との間の距離が凸レンズ１０２の焦点距離と同じｆとなるようにあらかじめ調整されている。この基準状態において、凸レンズ１０２に入射したレーザ光は凸レンズ１０２によって屈折され収束し、反射面１０４ａ上で焦点を結ぶ。この場合、レーザ光は反射面１０４ａによってその入射光と同軸方向に反射され（＋Ｘ方向）、ミラー１０４への入射の際には収束光であったレーザ光は、反射後には拡散光となって再度凸レンズ１０２に入射する。
【００２９】
反射面１０４ａで＋Ｘ方向に反射され凸レンズ１０２に入射する拡散光は、反射面１０４ａに反射される前に凸レンズ１０２が収束した収束光の収束角度と同じ広がり角度を持ち、さらに、先の収束時と同一の光学系において同一の光路を通過するので、この拡散光は凸レンズ１０２の通過時に、先の収束時と同じ角度で屈折され、平行光にコリメートされることになる。平行光にコリメートされたレーザ光は再度ビームスプリッタ１０１に入射され、その光量の約５０％が斜面１０１ａを通過し、第２コリメート光学系１８からの入射光とは直角を成す方向（＋Ｘ方向）に、波面曲率変調手段１００からの出射光として出射される。
【００３０】
また、図３に示すように、駆動回路２３（図１参照）からの所定の駆動電圧が印加されると圧電アクチュエータ１０５が駆動し、この駆動によって可動ミラー１０３は基準状態の位置から＋Ｘ方向に距離ｄ移動される。この場合、ミラー１０４の反射面１０４ａと凸レンズ１０２の主点との距離がｆ−ｄに変動される。第２コリメート光学系１８より＋Ｙ方向から平行光として入射された入射光であるレーザ光は、上記の場合と同様に、ビームスプリッタ１０１の斜面１０１ａでその約５０％を−Ｘ方向に反射され、凸レンズ１０２に入射される。凸レンズ１０２は、＋Ｘ方向から入射されたレーザ光を屈折して収束させるように−Ｘ方向に出射するが、可動ミラー１０３のミラー１０４の反射面１０４ａは、凸レンズ１０２の有する焦点距離ｆより距離ｄだけ凸レンズ１０２に近い位置に移動されているので、レーザ光は反射面１０４ａ上では収束されない。レーザ光は反射面１０４ａによって＋Ｘ方向に反射された後に、距離ｄだけ進んだ位置、すなわち距離ｆ−２ｄの位置で焦点を結び、凸レンズ１０２に再度入射する。
【００３１】
凸レンズ１０２は入射されたレーザ光を、その広がりが収束する角度に屈折させるが、凸レンズ１０２自体の屈折率については変動がないので、焦点距離ｆの位置から発せられる光を平行光にコリメートする凸レンズ１０２は、距離ｆ−２ｄの位置で発せられる光を平行光にコリメートすることはできない。従って、距離ｆ−２ｄで焦点を結んだレーザ光は、凸レンズ１０２に入射するが、その広がり角度が小さくなるものの平行光にはコリメートされずに凸レンズ１０２を通過し、凸レンズ１０２の通過後の広がり角度を維持したままビームスプリッタ１０１に入射する。ビームスプリッタ１０１に入射したレーザ光はその約５０％が斜面１０１ａを通過し、その広がり角度を維持したまま、すなわち拡散光として＋Ｘ方向に出射される。従って、波面曲率変調手段１００は、出射光として所定の広がり角度を有するレーザ光、すなわち平行光とは異なり波面曲率が大きいレーザ光を出射する。
【００３２】
拡散光として波面曲率変調手段１００より出射され、図１に示す、水平走査系１９のポリゴンミラー１９ａの偏向面１９ｂに入射されるレーザ光の、この偏向面１９ｂ上での波面曲率は、見かけ上の発光点１２５から発せられた光と同等の波面曲率となる。また、反射面１０４ａと凸レンズ１０２の主点との距離がｆの場合に出射される平行光の、ポリゴンミラー１９ａの偏向面１９ｂ上での波面曲率は、無限遠から発せられた光と同等の波面曲率となる。ここで、第１リレー光学系２０によってポリゴンミラー１９ａの偏向面１９ｂ上で結像される像と、ガルバノミラー２１ａの偏向面２１ｂ上で結像される像とが、また、第２リレー光学系２２によってガルバノミラー２１ａの偏向面２１ｂ上で結像される像と、観察者の瞳孔２４の位置で結像される像とがそれぞれ共役の関係となるように各リレー光学系が設けられているので、ポリゴンミラー１９ａの偏向面１９ｂ上で結像される像と、観察者の瞳孔２４の位置で結像される像とは共役の関係にある。従って、ポリゴンミラー１９ａの偏向面１９ｂ上におけるレーザ光の波面曲率が、観察者の瞳孔２４の位置での波面曲率と同じとなる。
【００３３】
観察者が瞳孔２４から眼の中に入射したレーザ光の見かけ上の発光点１２５にピントを合わせると、レーザ光は観察者の網膜上で結像する。ところで、観察者は、ピント合わせ動作（いわゆる調節作用）によりレーザ光の波面曲率の違いを識別することができるので、観察者はレーザ光の波面曲率の違いに基づく遠近感を認識することができる。すなわち、波面曲率の大きいレーザ光は近い位置より発せられたと感じ、波面曲率の小さいレーザ光は遠い位置より発せられたと感じる。従って、この場合、観察者には見かけ上の発光点１２５と、瞳孔２４の位置に共役な偏向面１９ｂとの距離に相当する位置に、レーザ光の発光点が存在するように認識される。
【００３４】
波面曲率変調手段１００の凸レンズ１０２の焦点距離が、例えば４ｍｍであったとすると、可動ミラー１０３が約３０μｍの可動を行うだけで、波面曲率変調手段１００は約３０ｃｍ〜無限遠の遠近感を表現することができる。また、凸レンズ１０２の焦点距離が２ｍｍであった場合は、可動ミラー１０３が約１０μｍの可動を行うだけで、波面曲率変調手段１００は約３０ｃｍ〜無限遠の遠近感を表現できる。例えば、波面曲率の小さい略平行の光束のレーザ光が走査され眼に入射した場合には、観察者は数十ｍ遠方のスクリーン上に提示された画像として認識でき、また、波面曲率の大きいレーザ光が走査され眼に入射した場合には、観察者は数十ｃｍ先のスクリーン上に提示された画像として認識できる。
【００３５】
次に、波面曲率変調手段１００による波面曲率の変調の周期と、水平同期信号５及び垂直同期信号６の発生の周期との関係に応じて変化される、観察者の網膜上に投影される画像に表現される遠近感について説明する。まず、第１の実施の形態の網膜走査型ディスプレイ１について、図１及び図４乃至図７を参照して説明する。図４は、第１の実施の形態において波面曲率変調手段１００の波面曲率の変調の周期が、垂直同期信号６の発生の周期の２倍である場合のタイミングチャートである。図５は、波面曲率変調手段１００によって波面曲率が変調されたフレームを交互に形成する場合の、形成されるフレームを示す図である。図６は、波面曲率ａ，波面曲率ｂの２つのフレームが合成された画像３２を示す図である。図７は、波面曲率ａ，波面曲率ｂの２つのフレームが合成された画像３２を構成する各要素の、奥行き方向における配置を示す図である。
【００３６】
尚、図４及び図５に示す、波面曲率ａ，波面曲率ｂは、波面曲率ａが波面曲率ｂより小さいものであるとする。この場合、波面曲率ａの光束の曲率半径は波面曲率ｂの光束の曲率半径より大きくなる。従って、波面曲率ａの光束の曲率半径が無限大である場合、波面曲率ａのフレーム３０は観察者の前方の遠い位置に存在すると認識される画像、すなわち遠距離の画像として描画され、波面曲率ｂの光束の曲率半径が１ｍである場合、波面曲率ｂのフレーム３１は観察者の前方１ｍに存在するとみなされる画像、すなわち近距離の画像として描画される。
【００３７】
観察者の網膜上に投影される画像は、例えば、縦６４０ドット、横４８０ドットの複数の画素で構成された１こま分の画面、すなわち１フレームが、１秒間当たり６０枚、連続的に描画されることによって形成される。図１に示す、水平走査系１９のポリゴンミラー１９ａが、波面曲率変調手段１００から入射された、変調されたレーザ光を水平方向に走査する。水平走査系１９に水平同期信号５が入力されるごとに、例えば六角形のポリゴンミラー１９ａであれば１／６回転し、その間に縦１ドット、横４８０ドット分、すなわち１ライン分の画素を表示するためのレーザ光が走査される。次に、水平方向に走査されたレーザ光は、垂直走査系２１によって垂直方向に走査される。垂直走査系２１に垂直同期信号６が入力されるごとにガルバノミラー２１ａが縦方向に１往復運動を行い、その片方向への偏向中に、縦６４０ドット分、すなわち水平走査系１９による６４０ライン分の走査が行われる。１フレームが１／６０秒で描画される場合、観察者は残像現象によって、６４０×４８０ドット、すなわち約３０万個分の画素の表示が同時に行われた１つの画面としてこのフレームを認識することができる。例えば、テレビゲーム等の画像は６０フレーム／秒であり、テレビやビデオ等の画像では３０フレーム／秒（ＮＴＳＣ方式）であり、映写機で投影される画像に至っては２４フレーム／秒の描画速度であり、このような描画速度でも映像として実質十分な効果が得られるといえる。このように網膜走査型ディスプレイ１では、上記一連のレーザ光の走査によって１つのフレームが形成され、１秒間当たり６０回、フレームの再描画が繰り返される。
【００３８】
波面曲率変調手段１００の波面曲率の変調の周期が垂直同期信号６の発生の周期の２倍となるように設定された場合、垂直同期信号６の１周期ごとに１画像の描画が行われることになるので、レーザ光の波面曲率の変調は、網膜走査型ディスプレイ１の２画像分の描画が行われるごとに１周期分の変調が行われることになる。
【００３９】
図４に示すように、Ｔ０タイミングで、垂直同期信号６が「ＯＮ」となると、垂直走査系２１のガルバノミラー２１ａによる垂直方向へのレーザ光の走査が開始される。このとき、波面曲率変調手段１００は、変調するレーザ光の波面曲率がａとなるように駆動されており、Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２タイミングの間、波面曲率変調手段１００及び水平走査系１９を介して垂直走査系２１に入射されるレーザ光の波面曲率はａとなる。そして、Ｔ０タイミングで開始された垂直走査系２１の１走査はＴ２タイミングで終了し、１フレームの描画が終了する。こうして、波面曲率ａを有するフレーム、すなわち、図５に例示する、波面曲率ａのフレーム３０（遠距離の画像）が形成される。このフレームを観察者が見た場合、フレームに描かれた物体３０ａは、例えば観察者の無限遠方に存在するものとして観察される。また、垂直同期信号６は、Ｔ１タイミングで「ＯＦＦ」となる。
【００４０】
次に、Ｔ２タイミングからＴ３タイミングの間、波面曲率変調手段１００が変調するレーザ光の、それまでａであった波面曲率がｂとなるように、波面曲率変調手段１００が駆動される。Ｔ２タイミングまでに１フレームの形成は終了しており、Ｔ２タイミングからＴ３タイミングの間、レーザ光は発生されない。
【００４１】
さらに、Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６タイミングで、上記Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３タイミングと同様の動作が繰り返されるが、このとき、Ｔ４，Ｔ５タイミング間に入射されるレーザ光の波面曲率をｂに変調するように、波面曲率変調手段１００が駆動される。そして、水平走査系１９及び垂直走査系２１によって走査されたレーザ光は、Ｔ５タイミングで、図５に例示する、波面曲率ｂのフレーム３１（近距離の画像）の形成を完了する。この画像を観察者が見た場合、フレームに描かれた物体３１ａは、例えば観察者の前方１ｍに存在するものとして観察される。また、垂直同期信号６は、Ｔ４タイミングで「ＯＦＦ」となる。
【００４２】
以降同様に、網膜走査型ディスプレイ１では、Ｔ０〜Ｔ６タイミング間の動作が繰り返される。例えば垂直同期信号６が１秒間に６０回、「ＯＮ」、「ＯＦＦ」を繰り返される場合、網膜走査型ディスプレイ１はＴ０〜Ｔ６タイミングでの動作を１秒間に３０回繰り返すことになる。観察者の網膜上に、１秒当たり３０枚描画される波面曲率ａのフレーム３０と、１秒間当たり３０枚描画される波面曲率ｂのフレーム３１とが交互に重なるように投影された画像は、残像現象によって、フレーム３０とフレーム３１とが重ねられて投影された画像として観察者に認識される。すなわち観察者は、図６に示すように、遠距離の物体３０ａと近距離の物体３１ａとが１つの画像内に表示された、合成された画像３２として観察する。
【００４３】
また、図７に示すように、合成された画像３２は、矢視方向Ａから見たような画像として観察者に認識される。観察者は、奥行き方向における０の位置から物体３１ａ，３０ａを観察し、１／ｂの位置の奥行き方向と直交する平面上に物体３１ａが、１／ａの位置の奥行き方向と直交する平面上に物体３０ａが存在するように感じる。尚、前述の通り、波面曲率の逆数が曲率半径である。
【００４４】
次に、第２の実施の形態の網膜走査型ディスプレイ１について、図１及び図８乃至図１０を参照して説明する。図８は、第２の実施の形態において波面曲率変調手段１００の波面曲率の変調の周期が、垂直同期信号６の発生の周期と同じ場合のタイミングチャートである。図９は、上下方向に異なる波面曲率を有して合成された画像３３を示す図である。図１０は、上下方向に異なる波面曲率を有して合成された画像３３を構成する各要素の、奥行き方向における配置を示す図である。
【００４５】
波面曲率変調手段１００の動作周期が垂直走査系２１の動作周期と同等か、それよりも短い場合は、垂直走査系２１の動作に合わせて、部分によって異なる波面曲率を有する画像を形成することができる。波面曲率変調手段１００の動作周期が垂直走査系２１の動作周期に等しい場合、垂直同期信号６の１周期ごとに１フレームの描画が行われることになるので、レーザ光の波面曲率の変調は、網膜走査型ディスプレイ１の１フレーム分の描画が行われるごとに１周期分の変調が行われることになる。
【００４６】
図８に示すように、Ｔ０タイミングで、垂直同期信号６が「ＯＮ」となると、垂直走査系２１のガルバノミラー２１ａによる垂直方向へのレーザ光の走査が開始される。このとき、波面曲率変調手段１００は、変調するレーザ光の波面曲率がａとなるように駆動されており、Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２タイミングの間、その波面曲率が三角関数的にｂに変化されるように駆動される。すなわち、波面曲率変調手段１００及び水平走査系１９を介して垂直走査系２１に入射されるレーザ光の波面曲率は垂直走査系２１による１走査に合わせてａからｂに変動する。そして、Ｔ０タイミングで開始された垂直走査系２１の１走査はＴ２タイミングで終了し、１フレームの描画が終了する。また、垂直同期信号６は、Ｔ１タイミングで「ＯＦＦ」となる。
【００４７】
次に、Ｔ２タイミングからＴ３タイミングの間、次の波面曲率変調手段１００の動作の周期に備えてレーザ光の波面曲率がａとなるように、波面曲率変調手段１００が駆動される。Ｔ２タイミングまでに１フレームの形成は終了しており、Ｔ２タイミングからＴ３タイミングの間、レーザ光は発生されない。
【００４８】
さらに、Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６タイミングでは、上記Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３タイミングと同様の動作が繰り返される。
【００４９】
以降同様に、網膜走査型ディスプレイ１では、Ｔ０〜Ｔ３タイミング間の動作が繰り返される。例えば垂直同期信号６が１秒間に６０回、「ＯＮ」、「ＯＦＦ」を繰り返される場合、網膜走査型ディスプレイ１はＴ０〜Ｔ３タイミングでの動作を１秒間に６０回繰り返すことになる。このように形成された１つのフレームにおいて、例えばガルバノミラー２１ａの走査が画面の上から下方向に行われる場合、図９に示す、観察者の眼に入射される合成された画像３３は、画面の下方から上方にかけて、下方が近距離に上方が遠距離に、三角関数的に遠近感の変化する画像として表示される。従って、観察者には、画像の下方に表示される物体３１ａは手前に、画像の上方に表示される物体３０ａは遠方に存在するように観察される。
【００５０】
また、図１０に示すように、合成された画像３３は、矢視方向Ｂから見たような画像として観察者に認識される。観察者は、奥行き方向における０の位置から物体３１ａ，３０ａを観察し、合成された画像３３の下方から上方にかけて奥行きが１／ｂから１／ａに三角関数的に変動する斜面３３ａ上に、物体３１ａと物体３０ａとが存在するように感じる。
【００５１】
次に、第３の実施の形態の網膜走査型ディスプレイ１について、図１及び図１１乃至図１４を参照して説明する。図１１は、第３の実施の形態において波面曲率変調手段１００の波面曲率の変調の周期と、垂直同期信号６の発生の周期との関係を示すタイミングチャートである。図１２は、図１１におけるＴ１ａタイミング付近の波面曲率の変化と水平同期信号５の発生の周期との関係を示すタイミングチャートである。図１３は、上下方向及び左右方向に異なる波面曲率を有して合成された画像３４を示す図である。図１４は、上下方向及び左右方向に異なる波面曲率を有して合成された画像３４を構成する各要素の、奥行き方向における配置を示す図である。
【００５２】
波面曲率変調手段１００の動作周期が水平走査系１９の動作周期と同等か、それよりも短い場合は、水平走査系１９及び垂直走査系２１のそれぞれの動作に合わせて、部分によって異なる波面曲率を有する画像を形成することができる。波面曲率変調手段１００の波面曲率の変調の周期が、水平同期信号５の発生の周期と同じとなるように設定された場合、レーザ光の波面曲率の変調は、水平方向１ライン分の描画が行われるごとに１周期分の変調が行われることになる。そして、垂直同期信号６の発生の周期ごとに、１画像の水平走査線の本数分、水平走査系１９による走査が行われ、１画像の描画が行われる。
【００５３】
尚、図１１に示すタイミングチャートは、図１３に示すように上方に遠距離の物体３０ａ、下方に近距離の物体３１ａが表示され、かつ近距離の物体３１ａの中央部が左右両端部よりもさらに近距離にあることを表現するため、垂直方向の変調に重畳して水平方向の変調を行う波形となっている。このタイミングチャートにおいて、波面曲率ａは、無限遠方に相当し、波面曲率ｂは、近距離の画像中で最も近距離の点における値に相当する。また、近距離画像中では、左右方向にかけて波面曲率がｂ’からｂの間で変動する。
【００５４】
図１１に示すように、Ｔ０タイミングで、垂直同期信号６が「ＯＮ」となると、垂直走査系２１のガルバノミラー２１ａによる垂直方向へのレーザ光の走査が開始される。このとき、波面曲率変調手段１００は、変調するレーザ光の波面曲率がａとなるように駆動されており、Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２タイミングの間、その波面曲率が三角関数的にｂに変化されるように駆動される。すなわち、波面曲率変調手段１００及び水平走査系１９を介して垂直走査系２１に入射されるレーザ光の波面曲率は、垂直走査系２１による１走査に合わせてａからｂの間で変動する。そして、Ｔ０タイミングで開始された垂直走査系２１の１走査はＴ２タイミングで終了し、１フレームの描画が終了する。また、垂直同期信号６は、Ｔ１タイミングで「ＯＦＦ」となる。
【００５５】
このＴ０，Ｔ１，Ｔ２タイミングの間、図１２に示すように、水平同期信号５も周期的に発生されており「ＯＮ」、「ＯＦＦ」が繰り返されている。そして、水平走査系１９の１走査にあわせて１周期分の変動が行われるように、波面曲率変調手段１００が駆動されている。Ｔ０’タイミングで水平同期信号５が「ＯＮ」となると、水平走査系１９のポリゴンミラー１９ａによる水平方向へのレーザ光の走査が開始される。このとき、波面曲率変調手段１００は、変調するレーザ光の波面曲率がｂ’となるように駆動されており、Ｔ０’，Ｔ１’，Ｔ２’タイミングの間、その波面曲率が三角関数的にｂに変化し、またｂ’に同様の変化をされるように駆動される。すなわち、波面曲率変調手段１００から水平走査系１９に入射されるレーザ光の波面曲率は、水平走査系１９の１走査に合わせてｂ’からｂになり、またｂ’に、いわゆるｓｉｎカーブ的な周期変動をする。そして、Ｔ０’タイミングで開始された水平走査系１９の１走査はＴ２’タイミングで終了し、１ラインの描画が終了する。また、水平同期信号５は、Ｔ１’タイミングで「ＯＦＦ」となる。
【００５６】
さらに、Ｔ２’，Ｔ３’，Ｔ４’タイミングにおいてもＴ０’，Ｔ１’，Ｔ２’タイミングと同様の動作が繰り返される。以降同様に、水平同期信号５と同期した周期的な波面曲率の変調が行われる。尚、波面曲率ｂ’は波面曲率ａ，波面曲率ｂの範囲内において任意に変動する値をとり、両端部の波面曲率ｂ’が波面曲率ｂより小さな値を取るため、１走査で描画される１ライン上の両端部から中央部にかけて、両端部が遠距離に中央部が近距離に、三角関数的に遠近感の変化する水平方向の１走査線として表示される。もっとも、図１２の例は、図１１のＴ１ａタイミング付近についての例であるので、他のタイミングでは、波面曲率の最大値がｂとならない場合（例えば、そのフレーム中の遠距離画像部分を描画している場合。）もある。
【００５７】
次に、図１１に示す、Ｔ２タイミングからＴ３タイミングの間、次の波面曲率変調手段１００の動作の周期に備えてレーザ光の波面曲率がａとなるように、波面曲率変調手段１００が駆動される。Ｔ２タイミングまでに１画像の形成は終了しており、Ｔ２タイミングからＴ３タイミングの間、レーザ光は発生されない。
【００５８】
さらに、Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６タイミングでは、上記Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３タイミングと同様の動作が繰り返される。
【００５９】
尚、合成された画像３４の例では、上方に表示される遠距離の物体３０ａは、左右方向において波面曲率がほとんど変化しないので、画像の上方においては水平走査に同期した波面曲率変調は行われないか、もしくは非常にわずかである。
【００６０】
以降同様に、網膜走査型ディスプレイ１では、Ｔ０〜Ｔ３タイミング間の動作が繰り返される。例えば垂直同期信号６が１秒間に６０回、「ＯＮ」、「ＯＦＦ」を繰り返される場合、網膜走査型ディスプレイ１はＴ０〜Ｔ３タイミングでの動作を１秒間に６０回繰り返すことになる。このように形成された画像は、例えばガルバノミラー２１ａの走査が画像の上から下方向に行われる場合、図１３に示す、観察者の眼に入射される合成された画像３４は、画像の下方から上方にかけて、下方が近距離に上方が遠距離に、三角関数的に遠近感の変化する画像として表示される。さらに、画像の下方においては中央部が左右両端部より近距離に、その遠近感が表現された画像として表示される。従って、この網膜走査型ディスプレイ１では、観察者に、画像の下方に表示される物体３１ａは手前に、画像の上方に表示される物体３０ａは遠方に存在するように観察される配置的な遠近感と、物体３０ａ，３１ａの中央部が左右両端部より近距離に観察される部分的な立体感とを表現することができる。
【００６１】
また、図１４に示すように、合成された画像３４は、矢視方向Ｃから見たような画像として観察者に認識される。観察者は、奥行き方向における０の位置から物体３１ａ，３０ａを観察し、合成された画像３４の下方から上方にかけて奥行きが１／ｂから１／ａに三角関数的に変動し、かつ左右両端部から中央部にかけてその奥行き方向に立体感を有する斜面３４ａ上に、物体３０ａと物体３１ａとが存在するように感じる。
【００６２】
以上説明したように、本実施の形態の網膜走査型ディスプレイ１では、水平走査系１９及び垂直走査系２１の駆動のタイミングの基準となる水平同期信号５及び垂直同期信号６に同調して波面曲率変調手段１００が動作され、レーザ光の波面曲率が変調される。第１の実施の形態の網膜走査型ディスプレイ１では、遠・近２値の波面曲率を有する画像が形成され、画像内に表現された物体３０ａ，３１ａの配置的な遠近感を表現することができる。また、第２の実施の形態の網膜走査型ディスプレイ１では、画像の上下方向においてスムーズな遠近感の変化がなされた画像が形成され、画像内に表現された物体３０ａ，３１ａの上下方向の配置位置よって異なる遠近感を表現することができる。また、第３の実施の形態の網膜走査型ディスプレイ１では、画像の上下方向においてスムーズな遠近感の変化がなされた画像が形成され、また、画像の左右方向においてスムーズな立体感の変化が成された画像が形成され、画像内に表現された物体３０ａ，３１ａの配置位置によって異なる遠近感及び立体感を表現することができる。
【００６３】
また、水平走査系及び垂直走査系による波面曲率の変化を三角関数的とすることで、波面曲率変調手段１００の圧電アクチュエータ１０５の動作負荷を軽減することができるので、１フレームの描画速度に対して波面曲率変調手段１００が十分な変調速度を得られない場合、すなわち圧電アクチュエータ１０５の駆動周波数が小さい場合でも、走査線近傍において発生する画像の乱れを防止することができ、違和感のない自然な立体画像を描画することができる。また、圧電アクチュエータ１０５の駆動周期の切り換えタイミングを水平同期信号５、または垂直同期信号６に同期させることで、圧電アクチュエータ１０５の駆動が１ラインの走査、または１フレームの描画の開始のタイミングと同調されるので、描画される立体画像のずれやちらつきを防止することができる。
【００６４】
尚、本発明の網膜走査型ディスプレイ１は、前記第１、第２及び第３の実施の形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。例えば、本実施の形態において画像の上方向で遠距離、下方向で近距離を表現するようにしたが、例えばトンネルを覗いた場合のように、上下方向に基づく遠近感が任意に表現できるようにしても良い。また、第３の実施の形態において、画像下方の中央部が両端部より近距離となる画像として表現されるようにしたが、左右方向に基づく立体感を任意に表現できるようにしても良いし、上方においても左右方向に立体感を表現しても良い。
【００６５】
また、本実施の形態では、ポリゴンミラー１９ａが、例えば六角形であるとしてその偏向面１９ｂを６面としたが、これに限定されず、任意の面数、例えば４面であっても、１２面であっても、４８面であってもよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明の画像表示装置では、変調手段が、画像信号に応じて少なくとも１つの光源から出射される光束を強度変調し、光学手段が、変調された光束を観察者の瞳孔に入射し、波面曲率変調手段が、入射される光束の波面曲率を第１の方向又は第２の方向の走査を開始させる同期信号に周期的に同期して変調するので、この光束を、第１の方向及び第２の方向に走査させながらフレームを形成して、観察者の網膜に画像を表示することができる。従って、観察者がフレーム上の任意の場所に注視すれば、観察者の眼の焦点調節作用によりその場所にピントを合わせることができ、その場所を中心とした自然な立体視を実現することができる。また、観察者の片目のみにおいても立体視を実現することができる。また、立体画像のずれを防止することができる。
【００６７】
また、請求項２に係る発明の画像表示装置では、変調手段が、画像信号に応じて少なくとも１つの光源から出射される光束を強度変調し、光学手段が、変調された光束を観察者の瞳孔に入射し、波面曲率変調手段が、入射される光束が第１の方向及びその第１の方向にほぼ垂直な第２の方向に走査されて形成されるフレームの、少なくとも同一のフレーム内においては、光束の波面曲率を略同一となるように変調し、フレームの切り換え時のみにおいて光束の波面曲率を変調するので、この光束で形成されるフレームを経時的に切り換えることによって、観察者の網膜に画像を表示することができる。従って、観察者が切り替わるフレーム上に表示された画像のうち任意の画像に注視すれば、観察者の眼の焦点調節機能によりその画像にピントを合わせることができ、その場所を中心とした自然な立体視を実現することができる。また、観察者の片目のみにおいても立体視を実現することができる。
【００６８】
また、請求項３に係る発明の画像表示装置では、請求項２に係る発明の効果に加え、波面曲率変調手段が、フレームの切り換えごとに光束の波面曲率を変調することができる。従って、立体画像のずれやちらつきを防止することができる。
【００６９】
また、請求項４に係る発明の画像表示装置では、請求項２又は３に係る発明の効果に加え、波面曲率変調手段が、第１の方向又は第２の方向の走査を開始させる同期信号に周期的に同期して波面曲率を変調することができる。従って、立体画像のずれを防止することができる。
【００７０】
また、請求項５に係る発明の画像表示装置では、請求項１に係る発明の効果に加え、波面曲率変調手段が、第１の方向及び第２の方向の走査のうち、走査周波数が高い方向の走査中において光束の波面曲率を略同一とし、走査周波数が低い方向の走査を開始させる同期信号に同期して波面曲率を変調することができる。従って、波面曲率変調の周波数を極力低く設定することができ、走査線近傍において発生する画像の乱れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、網膜走査型ディスプレイ１の全体構成を示す全体構成図である。
【図２】図２は、波面曲率変調手段１００の構成を示す構成図である。
【図３】図３は、波面曲率変調手段１００によりレーザ光が変調される態様を示す模式図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態において波面曲率変調手段１００の波面曲率の変調の周期が、垂直同期信号６の発生の周期の２倍である場合のタイミングチャートである。
【図５】図５は、波面曲率変調手段１００によって波面曲率が変調されたフレームを交互に形成する場合の、形成されるフレームを示す図である。
【図６】図６は、波面曲率ａ，波面曲率ｂの２つのフレームが合成された画像３２を示す図である。
【図７】図７は、波面曲率ａ，波面曲率ｂの２つのフレームが合成された画像３２を構成する各要素の、奥行き方向における配置を示す図である。
【図８】図８は、第２の実施の形態において波面曲率変調手段１００の波面曲率の変調の周期が、垂直同期信号６の発生の周期と同じ場合のタイミングチャートである。
【図９】図９は、上下方向に異なる波面曲率を有して合成された画像３３を示す図である。
【図１０】図１０は、上下方向に異なる波面曲率を有して合成された画像３３を構成する各要素の、奥行き方向における配置を示す図である。
【図１１】図１１は、第３の実施の形態において波面曲率変調手段１００の波面曲率の変調の周期と、垂直同期信号６の発生の周期との関係を示すタイミングチャートである。
【図１２】図１２は、図１１におけるＴ１ａタイミング付近の波面曲率の変化と水平同期信号５の発生の周期との関係を示すタイミングチャートである。
【図１３】図１３は、上下方向及び左右方向に異なる波面曲率を有して合成された画像３４を示す図である。
【図１４】図１４は、上下方向及び左右方向に異なる波面曲率を有して合成された画像３４を構成する各要素の、奥行き方向における配置を示す図である。
【符号の説明】
１網膜走査型ディスプレイ
２光源ユニット部
４映像信号
５水平同期信号
６垂直同期信号
７奥行き信号
１９水平走査系
２０第１リレー光学系
２１垂直走査系
２２第２リレー光学系
２４瞳孔
３０，３１フレーム
３２〜３４画像[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to an image display device that scans a light beam and projects an image directly onto the retina of an eye.
[0002]
[Prior art]
  2. Description of the Related Art In recent years, a so-called retinal scanning display has been known, in which a weak light beam emitted from a light source such as a laser or LED is scanned with a two-dimensional optical scanning device and is directly drawn on the retina by entering the pupil of the observer. (For example, refer to Patent Document 1). This retinal scanning display is configured to be used by being worn on the observer's head in the same manner as glasses, for example, and can provide a high-definition image with a large angle of view. Such a retinal scanning display is provided with wavefront curvature modulation means for modulating the wavefront curvature of the generated light flux as means for expressing the depth of the image incident on the observer's eye.
[0003]
  Here, the wavefront curvature will be described. The light emitted from the light source is propagated as a so-called isospherical spherical wave that travels at the same speed and in the same phase in all directions around the light source, but the spherical wave depends on the distance between the light source and the observer. The radius of curvature of has different. If the light source is close, the image is incident on the observer's eye as an image having a small radius of curvature, and if the light source is far, the image is input as an image having a large radius of curvature. The observer can recognize the deviation in the radius of curvature through the focusing operation and feel a sense of perspective. The wavefront curvature modulation means can enter the observer's eyes as if the light source exists at an arbitrary distance, and enables natural stereoscopic vision.
[0004]
[Patent Document 1]
          Japanese Patent No. 2874208
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
  However, in the conventional image display apparatus, the modulation frequency of the wavefront curvature by the wavefront curvature modulation means is considerably slower than the frequency at which each pixel is modulated to form an image, the so-called video rate. It was not possible to express naturally. Therefore, an image display device that can express natural stereoscopic vision has been desired.
[0006]
  The present invention has been made to solve the above-described problem, and an object of the present invention is to realize an image display device capable of expressing natural stereoscopic vision even when the modulation frequency of the wavefront curvature is slower than the video rate. To do.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, an image display device according to a first aspect of the present invention includes at least one light source, a modulation unit that modulates the intensity of a light beam emitted from the light source according to an image signal, and the modulation unit. Optical means for entering the modulated light flux into the pupil of the observer, and a frame while scanning the light flux entered by the optical means in a first direction and a second direction substantially perpendicular to the first direction. In the image display device that displays an image on the observer's retina by switching the frame over time, the wavefront curvature modulation unit that modulates the wavefront curvature of the light beam, and the wavefront curvature modulation unit, SaidPeriodically synchronized with a synchronization signal for starting scanning in the first direction or the second direction.The wavefront curvature of the light beam is modulated.
[0008]
  In the image display device having this configuration, the modulation means intensity-modulates the light beam emitted from at least one light source in accordance with the image signal, and the optical means enters the modulated light beam into the pupil of the observer, and the wavefront curvature. The modulation meansPeriodically synchronized with a synchronization signal for starting scanning in the first direction or the second direction.Since the wavefront curvature of the light beam is modulated, a frame is formed while scanning the light beam in the first and second directions, and an image is displayed on the retina of the observer as a trigonometrically changing perspective image. can do.
[0009]
  An image display device according to a second aspect of the present invention provides at least one light source, a modulation means for modulating the intensity of a light beam emitted from the light source in accordance with an image signal, and a light beam modulated by the modulation means. An optical means for entering the pupil of the person, and a frame formed while scanning the light beam incident by the optical means in a first direction and a second direction substantially perpendicular to the first direction. In an image display device that displays an image on the observer's retina by switching over time, the image display device includes wavefront curvature modulation means for modulating the wavefront curvature of the light beam, and the wavefront curvature modulation means is at least in the same frame. Is configured such that the wavefront curvature of the luminous flux is substantially the same, and the wavefront curvature of the luminous flux is modulated only at the time of frame switching.
[0010]
  In the image display device having this configuration, the modulation means intensity-modulates the light beam emitted from at least one light source in accordance with the image signal, and the optical means enters the modulated light beam into the pupil of the observer, and the wavefront curvature. At least in the same frame of a frame formed by scanning the incident light beam in the first direction and the second direction substantially perpendicular to the first direction, the modulation means changes the wavefront curvature of the light beam. Since the modulation is performed so that they are substantially the same, and the wavefront curvature of the light beam is modulated only at the time of frame switching, an image can be displayed on the retina of the observer by switching the frame formed by this light beam over time. it can.
[0011]
  An image display device according to a third aspect of the present invention comprises:2In addition to the configuration of the invention described above, the wavefront curvature modulation means modulates the wavefront curvature of the light beam every time the frame is switched.
[0012]
  In the image display device with this configuration,2In addition to the operation of the invention, the wavefront curvature modulation means can modulate the wavefront curvature of the light beam every time the frame is switched.
[0013]
  An image display device according to a fourth aspect of the present invention comprises:2 or 3The wavefront curvature modulation means modulates the wavefront curvature in synchronization with a synchronization signal for starting scanning in the first direction or the second direction. It is the composition to do.
[0014]
  In the image display device with this configuration,2 or 3In addition to the operation of the invention, the wavefront curvature modulation means can modulate the wavefront curvature in synchronization with a synchronization signal for starting scanning in the first direction or the second direction.
[0015]
  An image display device according to a fifth aspect of the present invention comprises:1In addition to the configuration of the invention described in (2), the wavefront curvature modulation means sets the wavefront curvature of the light flux to be substantially the same during scanning in a direction in which a scanning frequency is high among scanning in the first direction and the second direction. The wavefront curvature is modulated in synchronization with a synchronization signal for starting scanning in a direction in which the scanning frequency is low.
[0016]
  In the image display device with this configuration,1In addition to the operation of the invention according to the invention, the wavefront curvature modulation means makes the wavefront curvature of the light beam substantially the same during scanning in the direction in which the scanning frequency is high among the scanning in the first direction and the second direction, and the scanning frequency is low The wavefront curvature can be modulated in synchronization with a synchronization signal that initiates scanning in the direction.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, an embodiment of an image display device according to the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the retinal scanning display 1 according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an overall configuration diagram showing the overall configuration of the retinal scanning display 1. FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the wavefront curvature modulation means 100.
[0018]
  As shown in FIG. 1, the retinal scanning display 1 is provided with a light source unit 2 for processing a video signal supplied from the outside. The light source unit 2 is provided with a video signal supply circuit 3 that receives an external video signal and generates each signal as an element for synthesizing an image based on the video signal. A signal 4, a horizontal synchronization signal 5, a vertical synchronization signal 6, and a depth signal 7 are output. The light source unit 2 emits laser light based on the red (R), green (G), and blue (B) video signals transmitted as the video signal 4 from the video signal supply circuit 3. An R laser driver 10, a G laser driver 9, and a B laser driver 8 are provided for driving the R laser 13, the G laser 12, and the B laser 11, respectively. Further, the first collimating optical system 14 provided so as to collimate the laser light emitted from each laser into parallel light, the dichroic mirror 15 for synthesizing the collimated laser lights, and the synthesized laser light as light. A coupling optical system 16 leading to the fiber 17 is provided. As the R laser 13, G laser 12, and B laser 11, a semiconductor laser such as a laser diode or a solid-state laser may be used. Further, the R laser 13, the G laser 12, and the B laser 11 are light sources in the present invention, and the light source unit 2 is a modulation means in the present invention.
[0019]
  The retinal scanning display 1 also includes a second collimating optical system 18 that collimates the laser light propagated from the light source unit 2 into parallel light, and wavefront curvature modulation means 100 for modulating the collimated laser light. A horizontal scanning system 19 that scans the modulated laser light in the horizontal direction using the polygon mirror 19a, and laser light that is scanned by the horizontal scanning system 19 and incident through the first relay optical system 20 A vertical scanning system 21 that scans in the vertical direction using a mirror 21a is provided, and a second relay optical system 22 is provided so that laser light scanned by the vertical scanning system 21 is incident on the pupil 24 of the observer. ing. The first relay optical system 20 is configured so that the laser light imaged on the polygon mirror 19a of the horizontal scanning system 19 and the laser light imaged on the galvano mirror 21a of the vertical scanning system 21 are conjugate. The second relay optical system 22 is provided so that the laser light imaged on the galvanometer mirror 21a and the laser light imaged at the position of the pupil 24 of the observer are conjugate. . The second relay optical system 22 is an optical means in the present invention.
[0020]
  Further, the drive circuit 23 is provided to drive the wavefront curvature modulation means 100 based on the depth signal 7 output from the video signal supply circuit 3. The horizontal scanning system 19 and the vertical scanning system 21 are respectively connected to the video signal supply circuit 3 so as to scan the laser beam in synchronization with the horizontal synchronization signal 5 and the vertical synchronization signal 6 output from the video signal supply circuit 3, respectively. It is configured.
[0021]
  As shown in FIG. 2, the wavefront curvature modulation means 100 splits the incident laser light into transmitted light and reflected light reflected in the vertical direction of the transmitted light, and reflects the reflected light to the beam splitter 101. A convex lens 102 having a focal length f for converging the laser beam, and a movable movable mirror 103 for reflecting the laser beam converged on the convex lens 102 in the incident direction. The beam splitter 101 has a cube shape in which two right-angle prisms each having a dielectric multilayer film are attached to a slope, and reflects about 50% of the amount of incident light in the right-angle direction on the slope 101a. About 50%.
[0022]
  The movable mirror 103 includes a mirror 104 having a reflective surface 104a obtained by applying a mirror coating of a metal film to the surface of a transparent plate material such as glass, and a piezoelectric actuator 105 in which, for example, piezoelectric piezoelectric elements are stacked. The piezoelectric actuator 105 is driven by applying a driving voltage from the driving circuit 23 (see FIG. 1), and the positional relationship between the mirror 104 fixed to the piezoelectric actuator 105 and the convex lens 102 is changed. . The movable mirror 103 is movable in the direction perpendicular to the mirror surface of the mirror 104 (X-axis direction in the figure), and the optical axis of the laser beam passing through the beam splitter 101 and the convex lens 102 is linearly aligned. Yes.
[0023]
  Next, the process from when the retinal scanning display 1 according to the present invention receives an image signal from the outside until the image is projected onto the retina of the observer will be described with reference to FIG.
[0024]
  As shown in FIG. 1, in the retinal scanning display 1, when the video signal supply circuit 3 provided in the light source unit 2 is supplied with an external video signal, the video signal supply circuit 3 has red, green, A video signal 4 including an R video signal, a G video signal, and a B video signal, a horizontal synchronizing signal 5, a vertical synchronizing signal 6, and a depth signal 7 for outputting laser beams of blue colors are output. The R laser driver 10, the G laser driver 9, and the B laser driver 8 respectively drive the R laser 13, the G laser 12, and the B laser 11 based on the input R video signal, G video signal, and B video signal. Output a signal. Based on this drive signal, the R laser 13, the G laser 12, and the B laser 11 respectively generate laser beams and output them to the first collimating optical system 14. The laser light generated from the point light source is collimated into parallel light by the first collimating optical system 14, and further, is incident on the dichroic mirror 15 to be combined into one light beam, and then combined optical system 16. To be incident on the optical fiber 17.
[0025]
  When the laser light propagated by the optical fiber 17 is emitted from the optical fiber 17, it is collimated again by the second collimating optical system 18 and is incident on the wavefront curvature modulation means 100. The wavefront curvature modulation means 100 for realizing the modulation of the wavefront curvature will be described later.
[0026]
  The laser beam emitted from the wavefront curvature modulation unit 100 is incident on the deflection surface 19b of the polygon mirror 19a of the horizontal scanning system 19. The polygon mirror 19a calculates a rotation speed based on a BD (Beam Detector) signal output by an optical sensor (not shown), and a horizontal synchronizing signal 5 output from the video signal supply circuit 3 based on the BD signal. The speed of constant speed rotation is adjusted to synchronize. The laser light incident on the deflecting surface 19b of the polygon mirror 19a is scanned in the horizontal direction and emitted through the first relay optical system 20 to the deflecting surface 21b of the galvanometer mirror 21a of the vertical scanning system 21. In the first relay optical system 20, the image formed on the deflection surface 19b of the polygon mirror 19a and the image formed on the deflection surface 21b of the galvano mirror 21a are adjusted so as to have a conjugate relationship. The tilting of the mirror 19a is corrected. Similarly to the polygon mirror 19a, the galvanometer mirror 21a is reciprocally oscillated so that the deflection surface 21b reflects incident light in the vertical direction in synchronization with the vertical synchronizing signal 6, and the galvanometer mirror 21a causes the laser beam to be emitted. Scans vertically. The laser light scanned two-dimensionally in the horizontal and vertical directions by the horizontal scanning system 19 and the vertical scanning system 21 is connected to the image formed on the deflection surface 21b of the galvano mirror 21a and the position of the pupil 24 of the observer. The second relay optical system 22 provided so as to have a conjugate relationship with the image to be imaged is incident from the pupil 24 of the observer and projected onto the retina. The observer can recognize the image by the laser light that is two-dimensionally scanned and enters the eye.
[0027]
  Next, a method of modulating the wavefront curvature in the retinal scanning display 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a schematic diagram showing a mode in which laser light is modulated by the wavefront curvature modulation means 100.
[0028]
  As shown in FIG. 2, the laser beam collimated into parallel light by the second collimating optical system 18 (see FIG. 1) enters the beam splitter 101 of the wavefront curvature modulation unit 100 as incident light from the + Y direction. . About 50% of the amount of incident laser light is reflected by the inclined surface 101a and enters the convex lens 102 provided in the reflection direction (−X direction). By the way, when the drive voltage applied to the piezoelectric actuator 105 from the drive circuit 23 shown in FIG. 1 is 0 or a predetermined reference value (reference state), the reflecting surface 104a of the mirror 104 of the movable mirror 103 is the main surface of the convex lens 102. The distance between the points is adjusted in advance so that the distance f is the same as the focal length of the convex lens 102. In this reference state, the laser light incident on the convex lens 102 is refracted and converged by the convex lens 102 and is focused on the reflecting surface 104a. In this case, the laser light is reflected in the coaxial direction with the incident light by the reflecting surface 104a (+ X direction), and the laser light that was converged light upon entering the mirror 104 becomes diffused light after reflection. The light enters the convex lens 102 again.
[0029]
  The diffused light that is reflected in the + X direction by the reflecting surface 104a and enters the convex lens 102 has the same spread angle as the convergent light converged by the convex lens 102 before being reflected by the reflecting surface 104a. Since the same optical system passes through the same optical path, this diffused light is refracted at the same angle as the previous convergence when passing through the convex lens 102 and collimated into parallel light. The laser light collimated to the parallel light is incident on the beam splitter 101 again, and about 50% of the light quantity passes through the inclined surface 101a, and is a direction perpendicular to the incident light from the second collimating optical system 18 (+ X direction). Then, the light is emitted as light emitted from the wavefront curvature modulation means 100.
[0030]
  As shown in FIG. 3, when a predetermined drive voltage is applied from the drive circuit 23 (see FIG. 1), the piezoelectric actuator 105 is driven, and the movable mirror 103 is moved in the + X direction from the reference state by this drive. Moved by distance d. In this case, the distance between the reflecting surface 104a of the mirror 104 and the principal point of the convex lens 102 is changed to fd. As in the above case, the laser light that is incident as parallel light from the + Y direction from the second collimating optical system 18 is reflected by the inclined surface 101a of the beam splitter 101 about 50% in the −X direction, The light enters the convex lens 102. The convex lens 102 emits the laser beam incident from the + X direction in the −X direction so as to be refracted and converged, but the reflecting surface 104a of the mirror 104 of the movable mirror 103 is a distance d from the focal length f of the convex lens 102. Therefore, the laser beam is not converged on the reflecting surface 104a. After the laser beam is reflected in the + X direction by the reflecting surface 104a, the laser beam is focused at a position advanced by a distance d, that is, a position at a distance f-2d, and is incident on the convex lens 102 again.
[0031]
  The convex lens 102 refracts the incident laser light at an angle at which the spread converges, but there is no change in the refractive index of the convex lens 102 itself, so that the convex lens collimates the light emitted from the position of the focal length f into parallel light. 102 cannot collimate the light emitted at the position of distance f-2d into parallel light. Accordingly, the laser beam focused at the distance f-2d is incident on the convex lens 102, but the spread angle is small, but the parallel light passes through the convex lens 102 without being collimated, and spreads after passing through the convex lens 102. The light enters the beam splitter 101 while maintaining the angle. About 50% of the laser light incident on the beam splitter 101 passes through the inclined surface 101a, and is emitted in the + X direction as diffused light while maintaining its spread angle. Therefore, the wavefront curvature modulation unit 100 emits laser light having a predetermined spread angle as emitted light, that is, laser light having a large wavefront curvature unlike parallel light.
[0032]
  The wavefront curvature on the deflection surface 19b of the laser beam emitted from the wavefront curvature modulation means 100 as diffused light and incident on the deflection surface 19b of the polygon mirror 19a of the horizontal scanning system 19 shown in FIG. The wavefront curvature is equivalent to that of the light emitted from the light emitting point 125. Further, the wavefront curvature of the parallel light emitted when the distance between the reflecting surface 104a and the principal point of the convex lens 102 is f on the deflection surface 19b of the polygon mirror 19a is equal to that of light emitted from infinity. Curvature. Here, the image formed on the deflection surface 19b of the polygon mirror 19a by the first relay optical system 20 and the image formed on the deflection surface 21b of the galvano mirror 21a are also represented by the second relay optical system. Each relay optical system is provided so that the image formed on the deflection surface 21b of the galvano mirror 21a by the lens 22 and the image formed at the position of the pupil 24 of the observer have a conjugate relationship. Therefore, the image formed on the deflection surface 19b of the polygon mirror 19a and the image formed at the position of the pupil 24 of the observer are in a conjugate relationship. Therefore, the wavefront curvature of the laser light on the deflection surface 19b of the polygon mirror 19a is the same as the wavefront curvature at the position of the pupil 24 of the observer.
[0033]
  When the observer focuses on the apparent light emission point 125 of the laser light that has entered the eye from the pupil 24, the laser light is imaged on the retina of the observer. By the way, the observer can identify the difference in the wavefront curvature of the laser light by the focusing operation (so-called adjusting action), and thus the observer can recognize the perspective based on the difference in the wavefront curvature of the laser light. . That is, it is felt that a laser beam having a large wavefront curvature is emitted from a close position, and a laser beam having a small wavefront curvature is emitted from a distant position. Accordingly, in this case, the observer recognizes that the laser light emission point exists at a position corresponding to the distance between the apparent light emission point 125 and the deflection surface 19b conjugate to the position of the pupil 24.
[0034]
  If the focal length of the convex lens 102 of the wavefront curvature modulation means 100 is, for example, 4 mm, the wavefront curvature modulation means 100 expresses a perspective of about 30 cm to infinity only by moving the movable mirror 103 by about 30 μm. be able to. In addition, when the focal length of the convex lens 102 is 2 mm, the wavefront curvature modulation unit 100 can express a perspective of about 30 cm to infinity just by moving the movable mirror 103 by about 10 μm. For example, when a laser beam of a substantially parallel light beam having a small wavefront curvature is scanned and enters the eye, the observer can recognize it as an image presented on a screen several tens of meters away, and a laser having a large wavefront curvature. When the light is scanned and enters the eye, the observer can recognize it as an image presented on a screen several tens of centimeters away.
[0035]
  Next, the image projected on the retina of the observer is changed according to the relationship between the period of modulation of the wavefront curvature by the wavefront curvature modulation means 100 and the period of generation of the horizontal synchronizing signal 5 and the vertical synchronizing signal 6. The perspective expressed in the above is explained. First, the retinal scanning display 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 4 to 7. FIG. 4 is a timing chart in the case where the wavefront curvature modulation period of the wavefront curvature modulation means 100 in the first embodiment is twice the period of generation of the vertical synchronization signal 6. FIG. 5 is a diagram showing frames to be formed when the frames whose wavefront curvature is modulated by the wavefront curvature modulation means 100 are alternately formed. FIG. 6 is a diagram illustrating an image 32 in which two frames having a wavefront curvature a and a wavefront curvature b are combined. FIG. 7 is a diagram illustrating an arrangement in the depth direction of each element constituting the image 32 in which two frames of the wavefront curvature a and the wavefront curvature b are combined.
[0036]
  4 and 5, the wavefront curvature a and the wavefront curvature b are assumed to be smaller than the wavefront curvature b. In this case, the curvature radius of the light flux having the wavefront curvature a is larger than the curvature radius of the light flux having the wavefront curvature b. Accordingly, when the radius of curvature of the light flux having the wavefront curvature a is infinite, the frame 30 having the wavefront curvature a is drawn as an image that is recognized to exist at a far position in front of the observer, that is, a long-distance image. When the radius of curvature of the light beam b is 1 m, the frame 31 having the wavefront curvature b is drawn as an image that is considered to exist 1 m ahead of the observer, that is, an image at a short distance.
[0037]
  The image projected on the retina of the observer is, for example, a continuous screen drawn of a plurality of pixels of 640 dots long and 480 dots wide, that is, 60 frames per second. Is formed. A polygon mirror 19a of the horizontal scanning system 19 shown in FIG. 1 scans the modulated laser light incident from the wavefront curvature modulation means 100 in the horizontal direction. Each time the horizontal synchronizing signal 5 is input to the horizontal scanning system 19, for example, if it is a hexagonal polygon mirror 19a, it is rotated by 1/6, and during that time, one vertical pixel and 480 horizontal pixels, that is, one line of pixels are Laser light for display is scanned. Next, the laser beam scanned in the horizontal direction is scanned in the vertical direction by the vertical scanning system 21. Each time the vertical synchronization signal 6 is input to the vertical scanning system 21, the galvano mirror 21a performs one reciprocating motion in the vertical direction, and during the deflection in one direction, 640 dots by the vertical scanning system, that is, 640 lines by the horizontal scanning system 19 A minute scan is performed. When one frame is drawn in 1/60 second, the observer recognizes this frame as one screen on which 640 × 480 dots, that is, about 300,000 pixels are simultaneously displayed by the afterimage phenomenon. Can do. For example, an image of a video game or the like is 60 frames / second, an image of a television or video is 30 frames / second (NTSC system), and an image projected by a projector has a drawing speed of 24 frames / second. Yes, it can be said that a substantially sufficient effect can be obtained as an image even at such a drawing speed. As described above, in the retinal scanning display 1, one frame is formed by the series of scanning of the laser light, and the redrawing of the frame is repeated 60 times per second.
[0038]
  When the period of modulation of the wavefront curvature of the wavefront curvature modulation means 100 is set to be twice the period of generation of the vertical synchronization signal 6, one image is drawn for each period of the vertical synchronization signal 6. Therefore, the modulation of the wavefront curvature of the laser light is performed for one period each time two images of the retinal scanning display 1 are drawn.
[0039]
  As shown in FIG. 4, when the vertical synchronization signal 6 is “ON” at the timing T0, scanning of the laser beam in the vertical direction by the galvano mirror 21a of the vertical scanning system 21 is started. At this time, the wavefront curvature modulation means 100 is driven so that the wavefront curvature of the laser beam to be modulated becomes a, and the wavefront curvature modulation means 100 and the horizontal scanning system 19 are passed between T0, T1 and T2 timings. The wavefront curvature of the laser light incident on the vertical scanning system 21 is a. Then, one scanning of the vertical scanning system 21 started at the timing T0 ends at the timing T2, and drawing of one frame ends. Thus, a frame having a wavefront curvature a, that is, a frame 30 (an image of a long distance) having a wavefront curvature a illustrated in FIG. 5 is formed. When the observer sees this frame, the object 30a drawn in the frame is observed as being present at, for example, an infinite distance from the observer. The vertical synchronization signal 6 is “OFF” at the timing T1.
[0040]
  Next, from the timing T2 to the timing T3, the wavefront curvature modulation unit 100 is driven so that the wavefront curvature of the laser beam modulated by the wavefront curvature modulation unit 100 is b until then. The formation of one frame is completed by the timing T2, and no laser beam is generated from the timing T2 to the timing T3.
[0041]
  Further, at the timings T3, T4, T5, and T6, the same operation as that at the timings T0, T1, T2, and T3 is repeated. At this time, the wavefront curvature of the laser light incident between the timings T4 and T5 is set to b. The wavefront curvature modulation means 100 is driven so as to modulate. Then, the laser beams scanned by the horizontal scanning system 19 and the vertical scanning system 21 complete the formation of the frame 31 (short-distance image) having the wavefront curvature b illustrated in FIG. 5 at the timing T5. When the observer views this image, the object 31a drawn on the frame is observed as being present, for example, 1 m ahead of the observer. Further, the vertical synchronization signal 6 is “OFF” at the timing T4.
[0042]
  Similarly, in the retinal scanning display 1, the operation between the timings T0 to T6 is repeated. For example, when the vertical synchronization signal 6 is repeated “ON” and “OFF” 60 times per second, the retinal scanning display 1 repeats the operation at the timing T0 to T6 30 times per second. An image projected on the observer's retina so that 30 frames 30 of wavefront curvature a drawn per second and 30 frames of wavefront curvature b drawn 30 per second alternately overlap each other, Due to the afterimage phenomenon, the frame 30 and the frame 31 are overlapped and projected as an image projected by the observer. That is, as shown in FIG. 6, the observer observes a synthesized image 32 in which a long-distance object 30a and a short-distance object 31a are displayed in one image.
[0043]
  Further, as shown in FIG. 7, the synthesized image 32 is recognized by the observer as an image viewed from the direction of arrow A. The observer observes the objects 31a and 30a from the 0 position in the depth direction, and the object 31a is on the plane orthogonal to the depth direction at the 1 / a position on the plane orthogonal to the depth direction at the 1 / b position. The object 30a is present. As described above, the reciprocal of the wavefront curvature is the curvature radius.
[0044]
  Next, a retinal scanning display 1 according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 8 to 10. FIG. 8 is a timing chart in a case where the wavefront curvature modulation period of the wavefront curvature modulation means 100 is the same as the generation period of the vertical synchronization signal 6 in the second embodiment. FIG. 9 is a diagram showing an image 33 synthesized with different wavefront curvatures in the vertical direction. FIG. 10 is a diagram showing the arrangement in the depth direction of the elements constituting the image 33 synthesized with different wavefront curvatures in the vertical direction.
[0045]
  When the operation cycle of the wavefront curvature modulation unit 100 is equal to or shorter than the operation cycle of the vertical scanning system 21, an image having a wavefront curvature that differs depending on the part can be formed in accordance with the operation of the vertical scanning system 21. it can. When the operation period of the wavefront curvature modulation means 100 is equal to the operation period of the vertical scanning system 21, one frame is drawn for each period of the vertical synchronization signal 6, so that the modulation of the wavefront curvature of the laser light is Each time one frame of the retinal scanning display 1 is drawn, one period of modulation is performed.
[0046]
  As shown in FIG. 8, when the vertical synchronization signal 6 is “ON” at the timing T0, scanning of the laser beam in the vertical direction by the galvano mirror 21a of the vertical scanning system 21 is started. At this time, the wavefront curvature modulation means 100 is driven so that the wavefront curvature of the laser beam to be modulated becomes a, and the wavefront curvature is changed to b trigonometrically during the timings T0, T1, and T2. To be driven. That is, the wavefront curvature of the laser light incident on the vertical scanning system 21 via the wavefront curvature modulation means 100 and the horizontal scanning system 19 varies from a to b in accordance with one scanning by the vertical scanning system 21. Then, one scanning of the vertical scanning system 21 started at the timing T0 ends at the timing T2, and drawing of one frame ends. The vertical synchronization signal 6 is “OFF” at the timing T1.
[0047]
  Next, during the period from T2 to T3, the wavefront curvature modulation unit 100 is driven so that the wavefront curvature of the laser light becomes a in preparation for the next operation period of the wavefront curvature modulation unit 100. The formation of one frame is completed by the timing T2, and no laser beam is generated from the timing T2 to the timing T3.
[0048]
  Further, at the timings T3, T4, T5 and T6, the same operation as the timings T0, T1, T2 and T3 is repeated.
[0049]
  Thereafter, similarly, in the retinal scanning display 1, the operation between the timings T0 and T3 is repeated. For example, when the vertical synchronization signal 6 is repeated “ON” and “OFF” 60 times per second, the retinal scanning display 1 repeats the operation at the timing T0 to T3 60 times per second. In one frame formed in this way, for example, when the galvano mirror 21a is scanned from the top to the bottom of the screen, the synthesized image 33 incident on the observer's eye shown in FIG. From below to above, the image is displayed as an image in which the perspective changes in a trigonometric manner with the lower part being a short distance and the upper part being a long distance. Therefore, it is observed by the observer that the object 31a displayed below the image exists in front and the object 30a displayed above the image exists far away.
[0050]
  As shown in FIG. 10, the synthesized image 33 is recognized by the observer as an image as seen from the arrow direction B. The observer observes the objects 31a and 30a from the position 0 in the depth direction, and on the slope 33a whose depth varies trigonometrically from 1 / b to 1 / a from the lower side to the upper side of the synthesized image 33. It feels like the object 31a and the object 30a exist.
[0051]
  Next, a retinal scanning display 1 according to a third embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 11 to 14. FIG. 11 is a timing chart showing the relationship between the modulation period of the wavefront curvature of the wavefront curvature modulation means 100 and the generation period of the vertical synchronization signal 6 in the third embodiment. FIG. 12 is a timing chart showing the relationship between the change in wavefront curvature near the T1a timing in FIG. 11 and the generation cycle of the horizontal synchronization signal 5. FIG. 13 is a diagram illustrating an image 34 that has been synthesized with different wavefront curvatures in the vertical and horizontal directions. FIG. 14 is a diagram illustrating the arrangement in the depth direction of the elements constituting the image 34 synthesized with different wavefront curvatures in the vertical and horizontal directions.
[0052]
  When the operation cycle of the wavefront curvature modulation means 100 is equal to or shorter than the operation cycle of the horizontal scanning system 19, different wavefront curvatures are used depending on the part in accordance with the operations of the horizontal scanning system 19 and the vertical scanning system 21. The image which has can be formed. When the modulation period of the wavefront curvature of the wavefront curvature modulation means 100 is set to be the same as the generation period of the horizontal synchronization signal 5, the modulation of the wavefront curvature of the laser light is drawn for one horizontal line. Every time it is performed, one period of modulation is performed. Then, every time the vertical synchronizing signal 6 is generated, scanning is performed by the horizontal scanning system 19 by the number of horizontal scanning lines of one image, and one image is drawn.
[0053]
  In the timing chart shown in FIG. 11, as shown in FIG. 13, a long-distance object 30 a is displayed above, a short-distance object 31 a is displayed below, and the center of the short-distance object 31 a is more than the left and right ends. Furthermore, in order to express that the distance is short, the waveform is such that the horizontal modulation is superimposed on the vertical modulation. In this timing chart, the wavefront curvature a corresponds to infinity, and the wavefront curvature b corresponds to the value at the shortest point in the short distance image. In the short distance image, the wavefront curvature varies between b 'and b in the left-right direction.
[0054]
  As shown in FIG. 11, when the vertical synchronization signal 6 is “ON” at the timing T0, scanning of the laser beam in the vertical direction by the galvano mirror 21a of the vertical scanning system 21 is started. At this time, the wavefront curvature modulation means 100 is driven so that the wavefront curvature of the laser beam to be modulated becomes a, and the wavefront curvature is changed to b trigonometrically during the timings T0, T1, and T2. To be driven. That is, the wavefront curvature of the laser light incident on the vertical scanning system 21 via the wavefront curvature modulation means 100 and the horizontal scanning system 19 varies between a and b in accordance with one scanning by the vertical scanning system 21. Then, one scanning of the vertical scanning system 21 started at the timing T0 ends at the timing T2, and drawing of one frame ends. The vertical synchronization signal 6 is “OFF” at the timing T1.
[0055]
  During the timings T0, T1, and T2, as shown in FIG. 12, the horizontal synchronizing signal 5 is also periodically generated, and “ON” and “OFF” are repeated. The wavefront curvature modulation means 100 is driven so that the fluctuation for one period is performed in accordance with one scan of the horizontal scanning system 19. When the horizontal synchronization signal 5 is turned “ON” at the timing T0 ′, scanning of the laser beam in the horizontal direction by the polygon mirror 19a of the horizontal scanning system 19 is started. At this time, the wavefront curvature modulation means 100 is driven so that the wavefront curvature of the laser beam to be modulated becomes b ′, and the wavefront curvature is trigonometrically b during T0 ′, T1 ′, and T2 ′ timings. And b 'is driven to make a similar change. That is, the wavefront curvature of the laser light incident on the horizontal scanning system 19 from the wavefront curvature modulating means 100 changes from b ′ to b in accordance with one scan of the horizontal scanning system 19 and also changes to a so-called sin curve-like. Change the period. Then, one scan of the horizontal scanning system 19 started at the timing T0 'ends at the timing T2', and drawing of one line is completed. Further, the horizontal synchronizing signal 5 becomes “OFF” at the timing T1 ′.
[0056]
  Further, the same operations as those at the timings T0 ', T1', and T2 'are repeated at the timings T2', T3 ', and T4'. Thereafter, similarly, the modulation of the periodic wavefront curvature synchronized with the horizontal synchronizing signal 5 is performed. The wavefront curvature b ′ takes a value that fluctuates arbitrarily within the range of the wavefront curvature a and the wavefront curvature b, and the wavefront curvature b ′ at both ends takes a value smaller than the wavefront curvature b. From both end portions to the center portion on one line, both end portions are displayed at a long distance and the center portion is displayed at a close distance, and displayed as one horizontal scanning line in which the perspective changes in a trigonometric manner. However, since the example of FIG. 12 is an example around the T1a timing of FIG. 11, the maximum value of the wavefront curvature is not b at other timings (for example, a long-distance image portion in the frame is drawn). If there is.)
[0057]
  Next, the wavefront curvature modulation unit 100 is driven so that the wavefront curvature of the laser light becomes a in preparation for the next operation period of the wavefront curvature modulation unit 100 between the timings T2 and T3 shown in FIG. The The formation of one image has been completed by the timing T2, and no laser beam is generated from the timing T2 to the timing T3.
[0058]
  Further, at the timings T3, T4, T5 and T6, the same operation as the timings T0, T1, T2 and T3 is repeated.
[0059]
  In the example of the synthesized image 34, since the wavefront curvature of the long-distance object 30a displayed above hardly changes in the left-right direction, wavefront curvature modulation synchronized with horizontal scanning is performed above the image. There is no or very little.
[0060]
  Thereafter, similarly, in the retinal scanning display 1, the operation between the timings T0 and T3 is repeated. For example, when the vertical synchronization signal 6 is repeated “ON” and “OFF” 60 times per second, the retinal scanning display 1 repeats the operation at the timing T0 to T3 60 times per second. For example, when the galvano mirror 21a is scanned from the top to the bottom of the image, the synthesized image 34 incident on the observer's eye shown in FIG. From lower to upper, the lower part is displayed as a short distance and the upper part is displayed as a long distance. Further, in the lower part of the image, the center portion is displayed at a shorter distance than the left and right end portions, and the image is displayed as an image expressing the sense of perspective. Therefore, in this retinal scanning display 1, the observer is observed so that the object 31a displayed below the image is in front and the object 30a displayed above the image exists in the distance. It is possible to express a feeling and a partial three-dimensional effect in which the central part of the objects 30a and 31a is observed at a shorter distance than both the left and right ends.
[0061]
  Further, as shown in FIG. 14, the synthesized image 34 is recognized by the observer as an image as seen from the arrow direction C. The observer observes the objects 31a and 30a from the position 0 in the depth direction, the depth fluctuates from 1 / b to 1 / a trigonometrically from the lower side to the upper side of the synthesized image 34, and both left and right ends. It feels as if the object 30a and the object 31a exist on the slope 34a having a stereoscopic effect in the depth direction from the center to the center.
[0062]
  As described above, in the retinal scanning display 1 according to the present embodiment, the wavefront curvature is synchronized with the horizontal synchronizing signal 5 and the vertical synchronizing signal 6 which are the reference for driving timing of the horizontal scanning system 19 and the vertical scanning system 21. The modulation means 100 is operated to modulate the wavefront curvature of the laser light. In the retinal scanning display 1 according to the first embodiment, an image having a far / near binary wavefront curvature is formed, and the arrangement perspective of the objects 30a and 31a represented in the image can be expressed. it can. In the retinal scanning display 1 according to the second embodiment, an image in which a smooth perspective change is formed in the vertical direction of the image is formed, and the objects 30a and 31a expressed in the image are arranged in the vertical direction. Different perspectives can be expressed depending on the position. Further, in the retinal scanning display 1 of the third embodiment, an image in which a smooth perspective change is formed in the vertical direction of the image is formed, and a smooth three-dimensional change in the horizontal direction of the image is formed. The formed image is formed, and it is possible to express different perspective and stereoscopic effect depending on the arrangement positions of the objects 30a and 31a expressed in the image.
[0063]
  Further, by making the change of the wavefront curvature by the horizontal scanning system and the vertical scanning system trigonometric, the operation load of the piezoelectric actuator 105 of the wavefront curvature modulation means 100 can be reduced, so that the drawing speed of one frame can be reduced. Therefore, even when the wavefront curvature modulation means 100 cannot obtain a sufficient modulation speed, that is, even when the driving frequency of the piezoelectric actuator 105 is low, image disturbance occurring near the scanning line can be prevented, and there is no sense of incongruity. A stereoscopic image can be drawn. In addition, by synchronizing the switching timing of the driving cycle of the piezoelectric actuator 105 with the horizontal synchronizing signal 5 or the vertical synchronizing signal 6, the driving of the piezoelectric actuator 105 is synchronized with the start timing of one line scanning or one frame drawing. Therefore, it is possible to prevent the stereoscopic image to be drawn from being shifted or flickering.
[0064]
  The retinal scanning display 1 of the present invention is not limited to the first, second, and third embodiments, and various modifications can be made. For example, in the present embodiment, the far distance is expressed in the upper direction of the image and the short distance is expressed in the lower direction. However, the perspective based on the vertical direction can be arbitrarily expressed, for example, when looking into a tunnel. Anyway. In the third embodiment, the center portion below the image is expressed as an image that is closer than both ends. However, the stereoscopic effect based on the left-right direction may be arbitrarily expressed. Also, a three-dimensional effect may be expressed in the left-right direction even above.
[0065]
  In the present embodiment, the polygon mirror 19a is hexagonal, for example, and its deflecting surfaces 19b are six. However, the present invention is not limited to this. It may be a plane or 48 planes.
[0066]
【The invention's effect】
  As described above, in the image display device according to the first aspect of the present invention, the modulating means intensity-modulates the light beam emitted from at least one light source according to the image signal, and the optical means converts the modulated light beam. The wavefront curvature modulation means enters the observer's pupil, and the wavefront curvature modulation meansPeriodically synchronized to a synchronization signal that starts scanning in the first direction or the second direction.As this light beam is scanned in the first direction and the second direction, a frame is formed.AndAn image can be displayed on the retina of the observer. Therefore, if the observer pays attention to an arbitrary place on the frame, the observer can focus on the place by the focus adjustment action of the eye, and can realize natural stereoscopic vision centering on the place. it can. In addition, stereoscopic viewing can be realized with only one eye of the observer.In addition, it is possible to prevent the displacement of the stereoscopic image.
[0067]
  In the image display device according to the second aspect of the present invention, the modulating means intensity-modulates the light beam emitted from at least one light source in accordance with the image signal, and the optical means transmits the modulated light beam to the pupil of the observer. In at least the same frame of the frames formed by the wavefront curvature modulation means being scanned in the first direction and the second direction substantially perpendicular to the first direction. Since the wavefront curvature of the light beam is modulated to be substantially the same, and the wavefront curvature of the light beam is modulated only at the time of frame switching, the frame formed by this light beam is changed over time, so that the observer's retina An image can be displayed. Therefore, if you look at any image among the images displayed on the frame where the observer switches, you can focus on that image with the focus adjustment function of the eye of the observer, Stereoscopic viewing can be realized. In addition, stereoscopic viewing can be realized with only one eye of the observer.
[0068]
  In the image display device of the invention according to claim 3,2In addition to the effects of the invention, the wavefront curvature modulation means can modulate the wavefront curvature of the light beam every time the frame is switched. Accordingly, it is possible to prevent the displacement and flickering of the stereoscopic image.
[0069]
  In the image display device of the invention according to claim 4,2 or 3In addition to the effects of the invention, the wavefront curvature modulation means can modulate the wavefront curvature in synchronization with a synchronization signal for starting scanning in the first direction or the second direction. Therefore, it is possible to prevent the displacement of the stereoscopic image.
[0070]
  In the image display device of the invention according to claim 5,1In addition to the effect of the invention, the wavefront curvature modulation means makes the wavefront curvature of the light beam substantially the same during the scanning in the direction of the higher scanning frequency among the scanning in the first direction and the second direction, and the scanning frequency is low. The wavefront curvature can be modulated in synchronization with a synchronization signal that initiates scanning in the direction. Therefore, the frequency of wavefront curvature modulation can be set as low as possible, and image disturbance occurring near the scanning line can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an overall configuration of a retinal scanning display 1. FIG.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration of the wavefront curvature modulation means 100. FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a mode in which laser light is modulated by wavefront curvature modulation means 100. FIG.
FIG. 4 is a timing chart when the period of modulation of the wavefront curvature of the wavefront curvature modulation means 100 in the first embodiment is twice the period of generation of the vertical synchronization signal 6;
FIG. 5 is a diagram showing a frame to be formed in the case where frames whose wavefront curvature is modulated by the wavefront curvature modulation means 100 are alternately formed.
FIG. 6 is a diagram illustrating an image 32 in which two frames having a wavefront curvature a and a wavefront curvature b are combined.
FIG. 7 is a diagram illustrating an arrangement in the depth direction of each element constituting an image 32 in which two frames of a wavefront curvature a and a wavefront curvature b are combined.
FIG. 8 is a timing chart in the case where the wavefront curvature modulation period of the wavefront curvature modulation means 100 is the same as the generation period of the vertical synchronization signal 6 in the second embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing an image 33 synthesized with different wavefront curvatures in the vertical direction.
FIG. 10 is a diagram illustrating an arrangement in the depth direction of each element constituting the image 33 synthesized with different wavefront curvatures in the vertical direction.
FIG. 11 is a timing chart showing the relationship between the modulation period of the wavefront curvature of the wavefront curvature modulation means 100 and the generation period of the vertical synchronization signal 6 in the third embodiment.
12 is a timing chart showing the relationship between the change in wavefront curvature near the T1a timing in FIG. 11 and the generation cycle of the horizontal synchronization signal 5. FIG.
FIG. 13 is a diagram showing an image 34 synthesized with different wavefront curvatures in the vertical direction and the horizontal direction.
FIG. 14 is a diagram illustrating an arrangement in the depth direction of each element constituting an image combined with wavefront curvatures different in the vertical direction and the horizontal direction.
[Explanation of symbols]
    1 Retina scanning display
    2 Light source unit
    4 Video signal
    5 Horizontal sync signal
    6 Vertical sync signal
    7 Depth signal
  19 Horizontal scanning system
  20 First relay optical system
  21 Vertical scanning system
  22 Second relay optical system
  24 pupil
  30, 31 frames
  32-34 images

Claims

At least one light source, modulation means for modulating the intensity of a light beam emitted from the light source in accordance with an image signal, optical means for causing the light beam modulated by the modulation means to enter the pupil of the observer, and the optical An image is formed on the retina of the observer by forming a frame while scanning the light beam incident by the means in a first direction and a second direction substantially perpendicular to the first direction, and switching the frame over time. In an image display device for displaying
Wavefront curvature modulation means for modulating the wavefront curvature of the luminous flux,
The wavefront curvature modulation means modulates the wavefront curvature of the light flux by changing the wavefront curvature of the light flux in a trigonometric function. The wavefront curvature modulation means scans in the first direction or the second direction. An image display device characterized by modulating the wavefront curvature of the luminous flux in synchronization with a synchronization signal to be started .

At least one light source, modulation means for modulating the intensity of a light beam emitted from the light source in accordance with an image signal, optical means for causing the light beam modulated by the modulation means to enter the pupil of the observer, and the optical An image is formed on the retina of the observer by forming a frame while scanning the light beam incident by the means in a first direction and a second direction substantially perpendicular to the first direction, and switching the frame over time. In an image display device for displaying
Wavefront curvature modulation means for modulating the wavefront curvature of the luminous flux,
The image display apparatus according to claim 1, wherein the wavefront curvature modulation means makes the wavefront curvature of the light beam substantially the same in at least the same frame, and modulates the wavefront curvature of the light beam only when the frame is switched.

The image display apparatus according to claim 2 , wherein the wavefront curvature modulation unit modulates the wavefront curvature of the light beam every time the frame is switched.

The wavefront curvature modulation means according to claim 2 or 3, characterized in that modulating said first direction or said second direction periodically synchronously wavefront curvature synchronization signal which starts scanning the Image display device.

The wavefront curvature modulation means performs scanning in the direction in which the wavefront curvature of the light beam is substantially the same and the scanning frequency is low during scanning in the direction in which the scanning frequency is high among the scanning in the first direction and the second direction. The image display device according to claim 1 , wherein the wavefront curvature is modulated in synchronization with a synchronization signal to be started.