CN109804296B - 图像投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的图像投影装置具有：光源(20)，其射出光线；图像输入部(32)，其输入图像数据；控制部(34)，其生成基于图像数据的图像光线，控制射出；透镜(22)，其使所射出的图像光线成为大致平行光；扫描部(26)，其对通过透镜(22)的图像光线进行扫描；光学部件(28)，其使扫描出的图像光线反射或透过；投影镜(30)，其将反射或透过的图像光线照射到视网膜(62)，而投影图像；以及光线遮挡部(24)，其设置在扫描部(26)与透镜(22)之间的光路上，遮挡图像光线的一部分并具有使剩余部分通过的开口，投影镜(30)具有第1区域和聚光能力比第1区域大的第2区域，光学部件(28)的第3区域的聚光能力比第4区域的聚光能力大，该第3区域使扫描出的图像光线中的、照射到第1区域的光线反射或通过，该第4区域使扫描出的图像光线中的、照射到第2区域的光线反射或通过。

Description

图像投影装置
技术领域
本发明涉及图像投影装置。
背景技术
已知有使用从光源射出的光线来将图像直接投影到用户的视网膜的头戴式显示器(HMD)等图像投影装置。在这样的图像投影装置中，使用称作麦克斯韦观察的方法。在麦克斯韦观察中，使形成图像的光线会聚在瞳孔附近，将图像投影到视网膜。
已知有如下的图像投影装置：检测被角膜反射的光，调整对焦位置，以使得光线在视网膜上对焦(例如，专利文献1)。此外，已知有如下的图像投影装置：使从光源射出的光被在面内曲率不同的2个反射镜反射，并照射到用户的视网膜(例如，专利文献2、3)。此外，已知有如下的图像投影装置：该图像投影装置在入射到瞳孔的光的光路上设置有光圈，该光圈具有对光进行部分遮断的遮光部和将光分割为多个部分光的多个透光部(例如，专利文献4)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-258686号公报
专利文献2：日本特开2008-46253号公报
专利文献3：国际公开第2004/029693号
专利文献4：日本特开2011-215194号公报
发明内容
发明要解决的课题
为了进行麦克斯韦观察，当使用反射镜来使图像光线会聚在瞳孔附近时，在图像内，产生对焦位置从视网膜较大偏离的区域，难以向用户提供良好的图像。例如，在如专利文献1那样的方法中，当欲调整对焦位置时，与要扫描的光线同步地调整对焦位置以形成图像，但是难以高速地进行调焦。
本发明正是鉴于上述课题而完成的，其目的在于向用户提供良好的图像。
用于解决问题的手段
本发明是一种图像投影装置，其具有：光源，其射出光线；图像输入部，其输入图像数据；控制部，其生成基于所输入的所述图像数据的图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；透镜，其使从所述光源射出的所述图像光线成为大致平行光；扫描部，其对通过所述透镜的所述图像光线进行扫描；光学部件，其使所述扫描部扫描出的所述图像光线反射或透过；投影镜，其将所述光学部件反射或透过的所述图像光线照射到用户的眼球的视网膜，而将图像投影到所述视网膜；以及光线遮挡部，其以包含所述扫描部的扫描面的方式设置于所述扫描部与所述透镜之间的所述图像光线的光路上，遮挡所述图像光线的一部分，并且具有使所述图像光线的剩余部分通过的开口，所述投影镜具有第1区域和聚光能力比所述第1区域大的第2区域，所述光学部件的第3区域的聚光能力比第4区域的聚光能力大，该第3区域使所述扫描部扫描出的所述图像光线中的、照射到所述第1区域的第1光线反射或通过，该第4区域使所述扫描部扫描出的所述图像光线中的、照射到所述第2区域的第2光线反射或通过。
在上述结构中，也可以构成为，所述光学部件为反射镜，所述反射镜的所述第3区域的曲率比所述反射镜的所述第4区域的曲率大。
在上述结构中，也可以构成为，所述光学部件为衍射光栅。
在上述结构中，也可以构成为，所述第1区域和所述第2区域相对于所述投影镜内的与所述图像的中心对应的位置，位于所述图像光线入射的方向的两侧，所述第1区域位于比所述第2区域靠所述图像光线入射的方向的位置。
本发明是一种图像投影装置，其具有：光源，其射出光线；图像输入部，其输入图像数据；控制部，其生成基于所输入的所述图像数据的图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；透镜，其使从所述光源射出的所述图像光线成为大致平行光；扫描部，其对通过所述透镜的所述图像光线进行扫描；反射镜，其对由所述扫描部扫描出的所述图像光线进行反射；投影镜，其将由所述反射镜反射的所述图像光线照射到用户的眼球的视网膜，而将图像投影到所述视网膜；以及光线遮挡部，其以包含所述扫描部的扫描面的方式设置于所述扫描部与所述透镜之间的所述图像光线的光路上，遮挡所述图像光线的一部分，并且具有使所述图像光线的剩余部分通过的开口，所述投影镜的表面具有自由曲面，该自由曲面具有曲率不同的区域，所述反射镜的表面具有自由曲面，该自由曲面包含凹曲面和凸曲面，在所述投影镜中，被所述凹曲面反射的图像光线进行反射的区域相比于被所述凸曲面反射的图像光线进行反射的区域，位于所述图像光线的入射侧。
本发明是一种图像投影装置，其具有：光源，其射出光线；图像输入部，其输入图像数据；控制部，其生成基于所输入的所述图像数据的图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；透镜，其使从所述光源射出的所述图像光线成为大致平行光；扫描部，其对通过所述透镜的所述图像光线进行扫描；反射镜，其对由所述扫描部扫描出的所述图像光线进行反射；投影镜，其将由所述反射镜反射的所述图像光线照射到用户的眼球的视网膜，而将图像投影到所述视网膜；以及光线遮挡部，其以包含所述扫描部的扫描面的方式设置于所述扫描部与所述透镜之间的所述图像光线的光路上，遮挡所述图像光线的一部分，并且具有使所述图像光线的剩余部分通过的开口，所述投影镜的表面具有自由曲面，该自由曲面具有曲率不同的区域，所述反射镜的表面具有自由曲面，该自由曲面包含凹曲面和凸曲面，设定了所述反射镜的凹曲面和凸曲面，使得被所述凹曲面反射的所述图像光线所照射的所述投影镜的区域的曲率，比被所述凸曲面反射的所述图像光线所照射的所述投影镜的区域的曲率小。
本发明是一种图像投影装置，其具有：光源，其射出光线；图像输入部，其输入图像数据；控制部，其生成基于所输入的所述图像数据的图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；透镜，其使从所述光源射出的所述图像光线成为大致平行光；扫描部，其对通过所述透镜的所述图像光线进行扫描；反射镜，其对由所述扫描部扫描出的所述图像光线进行反射；投影镜，其将由所述反射镜反射的所述图像光线照射到用户的眼球的视网膜，而将图像投影到所述视网膜；以及光线遮挡部，其以包含所述扫描部的扫描面的方式设置于所述扫描部与所述透镜之间的所述图像光线的光路上，遮挡所述图像光线的一部分，并且具有使所述图像光线的剩余部分通过的开口，所述投影镜的表面具有自由曲面，该自由曲面具有曲率不同的区域，所述反射镜包含反射型衍射元件，该反射型衍射元件具有相位间距不同的相位分布，在所述投影镜中，被所述反射型衍射元件中的具有聚光能力大的相位分布的区域反射的图像光线进行反射的区域，相比于被所述反射型衍射元件中的具有聚光能力小的相位分布的区域反射的图像光线进行反射的区域，位于所述图像光线的入射侧。
本发明是一种图像投影装置，其具有：光源，其射出光线；图像输入部，其输入图像数据；控制部，其生成基于所输入的所述图像数据的图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；透镜，其使从所述光源射出的所述图像光线成为大致平行光；扫描部，其对通过所述透镜的所述图像光线进行扫描；反射镜，其对由所述扫描部扫描出的所述图像光线进行反射；投影镜，其将由所述反射镜反射的所述图像光线照射到用户的眼球的视网膜，而将图像投影到所述视网膜；以及光线遮挡部，其以包含所述扫描部的扫描面的方式设置于所述扫描部与所述透镜之间的所述图像光线的光路上，遮挡所述图像光线的一部分，并且具有使所述图像光线的剩余部分通过的开口，所述投影镜的表面具有自由曲面，该自由曲面具有曲率不同的区域，所述反射镜包含反射型衍射元件，该反射型衍射元件具有相位间距不同的相位分布，设定了所述反射型衍射元件的相位间距，使得被所述反射型衍射元件中的具有聚光能力大的相位分布的区域反射的图像光线所照射的所述投影镜的区域的曲率，比被所述反射型衍射元件中的具有聚光能力小的相位分布的区域反射的图像光线所照射的所述投影镜的区域的曲率小。
本发明是一种图像投影装置，其具有：光源，其射出光线；图像输入部，其输入图像数据；控制部，其生成基于所输入的所述图像数据的图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；透镜，其使从所述光源射出的所述图像光线成为大致平行光；扫描部，其对通过所述透镜的所述图像光线进行扫描；光学部件，其使所述扫描部扫描出的所述图像光线透过；投影镜，其将透过所述光学部件后的所述图像光线照射到用户的眼球的视网膜，而将图像投影到所述视网膜；光线遮挡部，其以包含所述扫描部的扫描面的方式设置于所述扫描部与所述透镜之间的所述图像光线的光路上，遮挡所述图像光线的一部分，并且具有使所述图像光线的剩余部分通过的开口，所述投影镜的表面具有自由曲面，该自由曲面具有曲率不同的区域，所述光学部件包含透射型衍射元件，该透射型衍射元件具有相位间距不同的相位分布，在所述投影镜中，透过所述透射型衍射元件中的聚光能力大的区域的图像光线进行反射的区域，相比于透过所述透射型衍射元件中的聚光能力小的区域的图像光线进行反射的区域，位于所述图像光线的入射侧。
本发明是一种图像投影装置，其具有：光源，其射出光线；图像输入部，其输入图像数据；控制部，其生成基于所输入的所述图像数据的图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；透镜，其使从所述光源射出的所述图像光线成为大致平行光；扫描部，其对通过所述透镜的所述图像光线进行扫描；光学部件，其使所述扫描部扫描出的所述图像光线透过；投影镜，其将透过所述光学部件后的所述图像光线照射到用户的眼球的视网膜，而将图像投影到所述视网膜；以及光线遮挡部，其以包含所述扫描部的扫描面的方式设置于所述扫描部与所述透镜之间的所述图像光线的光路上，遮挡所述图像光线的一部分，并且具有使所述图像光线的剩余部分通过的开口，所述投影镜的表面具有自由曲面，该自由曲面具有曲率不同的区域，所述光学部件包含透射型衍射元件，该透射型衍射元件具有相位间距不同的相位分布，设定了所述透射型衍射元件的相位间距，使得透过所述透射型衍射元件中的具有聚光能力大的相位分布的区域的图像光线所照射的所述投影镜的区域的曲率，比透过所述透射型衍射元件中的具有聚光能力小的相位分布的区域的图像光线所照射的所述投影镜的区域的曲率小。
在上述结构中，也可以构成为，具有减光滤光片，该减光滤光片设置于所述光源与所述眼球之间的所述图像光线的光路上，使所述图像光线的强度下降。
在上述结构中，也可以构成为，所述减光滤光片设置于所述透镜与所述扫描部之间。
发明效果
根据本发明，能够向用户提供良好的图像。
附图说明
图1是从上方观察到的实施例1的图像投影装置的图。
图2是将实施例1的图像投影装置的一部分放大而从上方观察到的图。
图3的(a)是示出实施例1的图像投影装置具备的反射镜的表面的立体图、图3的(b)是示出反射镜的X方向上的高度Z的图。
图4是示出实施例1的图像投影装置具备的反射镜的等高线的图。
图5是示出比较例的图像投影装置中的激光束的光路的图。
图6的(a)是示出实施例1的图像投影装置中的激光束的光路的图，图6的(b)是图6的(a)的反射镜附近的放大图。
图7是示出光线遮挡部的其他例子的图。
图8的(a)是示出实施例2的图像投影装置中的激光束的光路的图，图8的(b)是图8的(a)的反射型衍射光栅附近的放大图。
图9是示出实施例2的图像投影装置具备的反射型衍射光栅的等相位线的图。
图10的(a)是示出实施例3的图像投影装置中的激光束的光路的图，图10的(b)是图10的(a)的透射型衍射光栅附近的放大图。
图11是示出实施例3的图像投影装置具备的透射型衍射光栅的等相位线的图。
图12是示出将实施例4的图像投影装置的一部分放大而从上方观察到的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施例。
[实施例1]
图1是从上方观察到的实施例1的图像投影装置的图。图2是将实施例1的图像投影装置的一部分放大而从上方观察到的图。另外，设入射到投影镜30的光线在投影镜30内的行进方向为X方向、投影镜30中的与X方向垂直的方向为Y方向。在以下的例子中，设X方向为水平方向。
如图1和图2所示，实施例1的图像投影装置100具有光源20、透镜22、光线遮挡部24、扫描镜26、反射镜28、投影镜30、图像输入部32和控制部34。实施例1的图像投影装置100为眼镜型。眼镜具有镜腿10和镜片12。在眼镜的镜腿10上设置有光源20、透镜22、光线遮挡部24、扫描镜26和反射镜28。在镜片12上设置有投影镜30。图像输入部32和控制部34例如可以不设置于眼镜，而设置于外部装置(例如，便携终端)，也可以设置于眼镜的镜腿10。
从未图示的照相机和/或录像设备等向图像输入部32输入图像数据。控制部34基于所输入的图像数据，对激光束50从光源20的射出进行控制。光源20根据控制部34的控制，射出例如单个或多个波长的激光束50。即，图像数据被光源20转换为作为图像光线的激光束50。控制部34例如为CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)等处理器。照相机如果朝向眼球60的视线方向设置于图像投影装置100的适当位置，则能够将由该照相机拍摄出的视线方向的图像投影到视网膜62。此外，还能够投影从录像设备等输入的图像，或者由控制部34使来自照相机图像和录像设备等的图像叠加，从而投影所谓的虚拟现实(AR：Augmented Reality)图像。
透镜22为使从光源20射出的激光束50成为大致平行光的激光束50的准直透镜。
光线遮挡部24设置在透镜22与扫描镜26之间的激光束50的光路上。因透镜22而成为大致平行光的激光束50入射到光线遮挡部24。入射到光线遮挡部24的激光束50中的一部分被光线遮挡部24遮挡，剩余部分通过设置在光线遮挡部24上的开口36。即，光线遮挡部24遮挡激光束50的一部分并且具有开口36，该开口36使激光束50的剩余部分通过。光线遮挡部24的开口36例如为大致圆形形状。大致圆形形状不限于正圆的情况，还包含外周的一部分稍微变形的情况或椭圆形的情况。开口36的中心与激光束50的光轴大致一致。关于开口36的直径，设定成使通过光线遮挡部24的激光束50入射到扫描镜26时的直径比扫描镜26的有效直径小。例如，开口36的直径与因透镜22而形成为大致平行光的激光束50的1/e2的强度下的直径相同或比其小。
扫描镜26对通过光线遮挡部24的激光束50在二维方向上进行扫描，而使其成为用于将图像投影到用户(利用者)的眼球60的视网膜62的投影光。扫描镜26例如为MEMS(MicroElectro Mechanical System：微机电系统)反射镜，在水平方向和垂直方向的二维方向上扫描激光束50。在以下的例子中，设扫描激光束50的方向为X方向和Y方向，但也可以在除了X方向和Y方向以外的方向上扫描激光束50。
反射镜28朝向眼镜的镜片12反射由扫描镜26扫描出的激光束50。在镜片12的靠用户的眼球60一侧的面上设置有投影镜30。投影镜30通过将由扫描镜26扫描且被反射镜28反射的激光束50照射到用户的眼球60的视网膜62，将图像投影到视网膜62。即，用户利用投影到视网膜62的激光束50的余像效果来识别图像。投影镜30被设计成扫描镜26扫描出的激光束50的会聚位置位于眼球60的瞳孔64附近。激光束50从大致正侧面(即，大致-X方向)入射到投影镜30。投影镜30无需与眼镜的镜片12接触，只要是能够使激光束50通过眼球60的瞳孔64而照射到视网膜62的位置即可。此外，根据用途的不同，也可以不仅在投影镜30处设置眼镜的镜片12。
图3的(a)是示出实施例1的图像投影装置具备的反射镜的表面的立体图，图3的(b)是示出反射镜的X方向上的高度Z的图。X方向和Y方向为对应于投影镜30中的X方向和Y方向的方向。反射镜28的高度为Z方向。在图3的(a)中，Z方向放大示出了反射镜28的表面的凹凸。
如图3的(a)和图3的(b)所示，关于反射镜28，在区域S0中，表面大致为平面，在区域S1中，表面为凹面，在区域S2中，表面为凸面。由此，聚光能力在区域S0中大致为0，在区域S1中为正，在区域S2中为负。反射镜28的表面的Z用下式表示，反射镜28的表面为自由曲面。
Z＝Σaij×Xi×Yj
原点(X＝0、Y＝0)相当于图像中心，例如，相当于区域S0的附近。aij为系数。为了使X方向的聚光能力不同，设i为奇数的项的系数aij中的至少一个为有限的值(0以外)。投影镜30中的Y方向上的聚光能力关于X轴对称。因此，设j为奇数的项的系数aij为0。例如，设系数a30和a12为有限。由此，能够实现如图3的(a)和图3的(b)的自由曲面。为了进一步调整反射镜28的自由曲面，也可以设系数a10和/或a20为有限的值。并且，也可以使高阶的系数为有限的值。
图4是示出实施例1的图像投影装置具备的反射镜的等高线的图。在图4中，设中心(X、Y)＝(0、0)的Z为0。等高线的间隔为11.6μm。随着向+X方向前进，Z变小，随着向-X方向前进，Z变大。图4以视网膜为基准进行了模拟，所以为圆形。将图4的圆形内的一部分剪切为四边形的情况相当于图3的(a)。
这里，在说明实施例1的图像投影装置100的效果时，首先，说明比较例的图像投影装置。比较例的图像投影装置除了反射镜28的整个表面为平面的方面以外，都与实施例1的图像投影装置100相同。图5是示出比较例的图像投影装置中的激光束的光路的图。在图5中，光线L0至光线L2为扫描镜26沿水平方向扫描出的光线，从-X方向照射到投影镜30。光线L0为相当于图像的中心的光线，光线L1和光线L2为相当于图像的端部的光线。光线L0至光线L2分别被投影镜30的区域R0至区域R2反射。反射后的光线L0至光线L2会聚在位于虹膜66的中央部的瞳孔64的附近，透过晶状体68而到达视网膜62。区域R0为反射相当于图像中心的光线L0的区域。区域R1为比区域R0更靠-X方向的区域。区域R2为比区域R0更靠+X方向的区域。为了进行麦克斯韦观察，光线L0至光线L2在瞳孔64的附近处交叉。
在图5中，被投影镜30反射的光线L0作为大致平行光入射到晶状体68，在视网膜62附近对焦。即，光线L0的对焦位置F0位于视网膜62的附近。在该情况下，被投影镜30反射的光线L1作为扩散光入射到晶状体68。因此，光线L1在比视网膜62更远的位置对焦。被投影镜30反射的光线L2作为会聚光入射到晶状体68。因此，光线L2在比视网膜62更近的位置对焦。这样，当使光线L0在视网膜62附近对焦时，光线L1的对焦位置F1为比视网膜62更远离投影镜30的位置，对焦位置F1与视网膜62的距离为D1。光线L2的对焦位置F2为比视网膜62更接近投影镜30的位置，对焦位置F2与视网膜62的距离为D2。
这样，对焦位置F0至对焦位置F2不同是因为，当欲使从-X方向入射到投影镜30的光线L0至光线L2在瞳孔64附近会聚时，投影镜30的区域R0至区域R2的曲率在X方向上不同，和/或因为光线L0至光线L2上产生光路差。例如，区域R2的曲率大于区域R1。即，区域R2的聚光能力大于区域R1。因此，对焦位置F2为比对焦位置F1更靠光源侧的位置。此外，当欲与用户的脸部平行地配置投影镜30时，光线L2的光路比光线L1长。由此，对焦位置F2为比对焦位置F1更靠光源侧的位置。这样，在比较例中，为了进行麦克斯韦观察，当使光线L0至光线L2在瞳孔64附近会聚时，在图像内，产生对焦位置从视网膜62较大偏离的区域。另外，Y方向的光学系统关于X轴大致对称，在Y方向上难以产生如X方向的对焦位置的偏差。
图6的(a)是示出实施例1的图像投影装置中的激光束的光路的图，图6的(b)是图6的(a)的反射镜附近的放大图。如图6的(a)和图6的(b)所示，照射到投影镜30的区域R0至区域R2的光线L0至光线L2被反射镜28内的区域S0至区域S2反射。如图3的(a)至图4所说明的那样，反射镜28在区域S0中，表面大致为平面从而聚光能力大致为0，在区域S1中，表面为凹面从而聚光能力为正，在区域S2中，表面为凸面从而聚光能力为负。由此，被反射镜28的聚光能力较小的区域S2反射的光线L2照射到投影镜30的曲率较大的区域R2，被反射镜28的聚光能力较大的区域S1反射的光线L1照射到投影镜30的曲率较小的区域R1。由此，能够使光线L0至光线L2全部在视网膜62附近对焦。
这样，根据实施例1，反射镜28的表面成为与投影镜30的自由曲面的曲率的变化对应地具有平面、凹面和凸面的自由曲面。而且，设定了反射镜28的凹曲面和凸曲面，以使得被反射镜28的凹面(区域S1)反射的光线L1照射到投影镜30的区域R1，该区域R1的曲率比投影镜30的被凸面(区域S2)反射的光线L2所照射的区域R2小。换言之，反射镜28的区域S1的聚光能力比区域S2的聚光能力大，该区域S1反射的是照射到投影镜30的区域R1的光线L1，该区域S2反射的是照射到投影镜30的聚光能力比区域R1大的区域R2的光线L2。由此，如图6的(a)所示，能够使光线L0至光线L2在视网膜62的附近对焦。此外，如图2所示，在透镜22与扫描镜26之间的激光束50的光路上设置有光线遮挡部24，该光线遮挡部24遮挡激光束50的一部分并且具有开口36，该开口36使激光束50的剩余部分通过。由此，能够使入射到扫描镜26的激光束50的直径成为适当的大小，并且，能够提高激光束50的端部的光强度(光瞳端强度)。由此，能够向用户提供良好的图像。
此外，在通过光线遮挡部24之后被扫描镜26扫描的激光束50入射到反射镜28，由此，能够将入射到反射镜28的激光束50的直径调整为适当的大小。因此，能够利用反射镜28对激光束50施加适当的聚光能力。
例如，在不考虑光线L0至光线L2的对焦位置F0至对焦位置F2的情况下进行设反射镜28为平面且包含投影镜30的光学系统的设计。然后，将反射镜28的表面设计为自由曲面，而不改变投影镜30的设计。由此，调整光线L0至光线L2的对焦位置F0至对焦位置F2。反射镜28对光线L0至光线L2施加的聚光能力是微弱的，因此，几乎不对光线L0至光线L2的轨迹产生影响，能够调整对焦位置F0至对焦位置F2。因此，能够简单地设计光学系统。
图7是示出光线遮挡部的其他例子的图。如图7所述，也可以为如下情况：扫描镜26的扫描面42中的、除了有效直径44以外的区域成为由不反射而吸收激光束50的材料形成的吸收部46，从而扫描面42作为光线遮挡部发挥功能。这样，光线遮挡部设置在扫描镜26与透镜22之间的激光束50的光路上即可，该光线遮挡部可以包含扫描镜26的扫描面42。
投影镜30的区域R1和区域R2相对于投影镜30内的与图像的中心对应的位置(区域R0)位于光线L0至光线L2入射的方向上的两侧。区域R1相比于区域R2，位于光线L0至光线L2入射的方向上的光学部件(反射镜28)侧。在区域R0至区域R2位于该位置的情况下，在比较例中，如图5所示，对焦位置F0至对焦位置F2从视网膜62偏离变大。因此，优选使反射镜28的区域S0至区域S2的聚光能力不同。
并且，投影镜30中的区域R1与区域R2的距离大于反射镜28中的区域S1与区域S2的距离。在区域R1与区域R2的距离较大的光学系统中，当欲使光线L0至光线L2在瞳孔64附近会聚时，使区域R1和区域R2的聚光能力较大不同。此外，光线L0至光线L2的光路较大不同。由此，对焦位置F1和对焦位置F2会从视网膜62较大偏离。因此，在这样的光学系统中，优选在反射镜28的区域S1和区域S2中使聚光能力不同。
此外，光线L1对焦的对焦位置F1与视网膜62的距离D1和光线L2对焦的对焦位置F2与视网膜62的距离D2，分别比假设为反射镜28的区域S1和区域S2的聚光能力相同时的距离D1和D2小。由此，能够使光线L0至光线L2的对焦位置F0至对焦位置F2成为视网膜62的附近。
此外，根据实施例1，通过使用反射镜28并使区域S1的曲率大于区域S2的曲率，来设定区域S1和区域S2的聚光能力。由此，能够使区域S1的聚光能力比区域S2的聚光能力大。另外，关于曲率，如图3的(a)和图3的(b)的区域S1所示，设凹面为正，如区域S2所示，设凸面为负。此外，通过使用反射镜28，即使在光线L0至光线L2包含多个波长的情况下，也能够在单个曲面中设定各波长的光线L0至光线L2的聚光能力。
[实施例2]
实施例2的图像投影装置除了替代反射镜28而使用反射型衍射光栅38的方面以外，都与实施例1的图像投影装置100相同。图8的(a)是示出实施例2的图像投影装置中的激光束的光路的图，图8的(b)是图8的(a)的反射型衍射光栅的附近的放大图。如图8的(a)和图8的(b)所示，实施例2的图像投影装置可以替代反射镜28，使用反射型衍射光栅38，扫描镜26扫描出的光线L0至光线L2被反射型衍射光栅38的区域S0至区域S2反射而入射到投影镜30。
图9是示出实施例2的图像投影装置具备的反射型衍射光栅的等相位线的图。在图9中，各线的间隔为50×2πrad。等相位线的间隔对应于反射型衍射光栅38的间距。即使使用反射型衍射光栅38，也能够使区域S0的聚光能力大致为0、区域S1的聚光能力为正、区域S2的聚光能力为负。
[实施例3]
实施例3的图像投影装置除了替代反射镜28而使用透射型衍射光栅40的方面以外，都与实施例1的图像投影装置100相同。图10的(a)是示出实施例3的图像投影装置中的激光束的光路的图，图10的(b)是图10的(a)的透射型衍射光栅附近的放大图。如图10的(a)和图10的(b)所示，实施例3的图像投影装置可以替代反射镜28，使用透射型衍射光栅40，扫描镜26扫描出的光线L0至光线L2透过透射型衍射光栅40的区域S0至区域S2而入射到投影镜30。
图11是示出实施例3的图像投影装置具备的透射型衍射光栅的等相位线的图。在图11中，各线的间隔为7.5×2πrad。等相位线的间隔对应于透射型衍射光栅40的间距。即使使用透射型衍射光栅40，也能够使区域S0的聚光能力大致为0、区域S1的聚光能力为正、区域S2的聚光能力为负。
如实施例1至实施例3所示，使扫描镜26扫描出的光线L0至光线L2反射或透过的光学部件可以为反射镜28，也可以为反射型衍射光栅38，还可以为透射型衍射光栅40。在光学部件为反射型衍射光栅38或透射型衍射光栅40的情况下，能够使区域S1中的间距大于区域S2中的间距。由此，能够使区域S1的聚光能力比区域S2的聚光能力大。此外，通过使用反射型衍射光栅38或透射型衍射光栅40作为光学部件，能够更高精度地设定聚光能力。反射型衍射光栅38和透射型衍射光栅40的聚光能力存在波长依赖性。因此，光线L0至光线L2优选为单个波长的光，优选在光线L0至光线L2包含多个波长的光的情况下，层叠与各波长对应的衍射元件。
即，根据实施例2，反射型衍射光栅38对应于投影镜30的自由曲面的曲率变化，具有相位间距不同的相位分布。而且，设定了反射型衍射光栅38的相位间距，以使得被反射型衍射光栅38的相位间距较宽的区域S1反射的光线L1照射到投影镜30的区域R1，该区域R1的曲率比被相位间距较窄的区域S2反射的光线L2所照射的投影镜30的区域R2的曲率小。由此，如图8的(a)所示，能够使光线L0至光线L2在视网膜62的附近对焦。此外，如实施例1所说明的那样，由于在透镜22与扫描镜26之间设置有光线遮挡部24，所以能够使入射到扫描镜26的激光束50的直径成为适当的大小，并且能够提高激光束50的端部的光强度(光瞳端强度)。因此，能够向用户提供良好的图像。
此外，根据实施例3，透射型衍射光栅40与投影镜30的自由曲面的曲率变化对应地具有相位间距不同的相位分布。而且，设定了透射型衍射光栅40的相位间距，以使得透过透射型衍射光栅40的相位间距较宽的区域S1的光线L1照射到投影镜30的区域R1，该区域R1的曲率比透过相位间距较窄的区域S2的光线L2所照射的投影镜30的区域R2的曲率小。由此，如图10的(a)所示，能够使光线L0至光线L2在视网膜62的附近对焦。此外，如实施例1所说明的那样，由于在透镜22与扫描镜26之间设置有光线遮挡部24，所以能够使入射到扫描镜26的激光束50的直径成为适当的大小，并且能够提高激光束50的端部的光强度(光瞳端强度)。因此，能够向用户提供良好的图像。
在实施例1到实施例3中，示出投影镜30的曲率在X方向上不同的情况的例子，但投影镜30也可以为衍射元件。投影镜30的区域R1的聚光能力优选小于投影镜30的区域R2的聚光能力，以使光线L0至光线L2通过瞳孔64。此外，投影镜30可以为能够使眼球60的视线方向的光透过的半反射镜，也可以为不使光透过的全反射镜。如果投影镜30为半反射镜，则能够使视线方向的实际图像透过，而与由激光束50形成的图像相结合地视觉辨认，如果为全反射镜，则能够仅对由激光束50形成的图像进行视觉辨认。
光线L0至光线L2的光学系统关于Y轴方向大致对称。因此，投影镜30内的关于如下的线对称的一对位置所对应的光学部件内的一对位置处的聚光能力优选实质上相等，所述线通过投影镜30内的与图像的中心对应的位置并在X方向上延伸。例如，在图4中，关于Y＝0的直线(X轴)对称的位置的曲率相同。在图9和图11中，关于Y＝0的直线对称的衍射元件的间距相同。
[实施例4]
图12是将实施例4的图像投影装置的一部分放大而从上方观察到的图。如图12所示，实施例4的图像投影装置400在透镜22与扫描镜26之间的激光束50的光路上，除了光线遮挡部24以外，还设置有使激光束50的强度下降的减光滤光片70。减光滤光片70例如可以使用在树脂上进行光学涂敷而得到的部件。其他结构与实施例1的图像投影装置100相同。
根据实施例4，在光源20与眼球60之间的激光束50的光路上设置有减光滤光片70。基于对光源20的电控制而对激光束50进行的强度调整存在界限，但通过在激光束50的光路上设置减光滤光片70，能够将适当强度的激光束50照射到视网膜62。由此，能够向用户提供适当的明亮度的图像。
另外，在实施例4中，在比光线遮挡部24更靠激光束50的后段侧的位置处设置有减光滤光片70，但也可以在比光线遮挡部24更靠前段侧的位置处设置减光滤光片70。此外，在光源20与扫描镜26之间设置有减光滤光片70，但只要是光源20与眼球60之间的激光束50的光路上，则可以为任何部位。例如，可以为扫描镜26与反射镜28之间，也可以为反射镜28与投影镜30之间，也可以为投影镜30与眼球60之间，也可以为扫描镜26的扫描面，也可以为反射镜28的反射面，也可以为投影镜30的反射面，还可以为这些多个部位。但是，如实施例4所示，优选在透镜22与扫描镜26之间设置减光滤光片70。这是因为，因透镜22而成为大致平行光且直径比较大的激光束50通过减光滤光片70，因此，即使在减光滤光片70存在面内分布的情况下，也能够减少其影响。此外，例如，在比扫描镜26更靠激光束50的后段侧的位置处设置有减光滤光片70的情况下，扫描镜26扫描出的激光束50遍及减光滤光片70的大范围而入射，因此，减光滤光片70的面内分布的影响较大。但是，减光滤光片70设置在透镜22与扫描镜26之间，由此，激光束50仅入射到减光滤光片70的某个范围内，因此，能够减少面内分布的影响。
在实施例1至实施例4中，作为图像投影装置，例示了眼镜型HMD的情况，但也可以为除了HMD以外的图像投影装置的情况。此外，例示了将图像投影到单侧眼球60的视网膜62的情况，但也可以为将图像投影到双侧眼球60的视网膜62的情况。此外，作为扫描部，例示了扫描镜26的情况，但扫描部只要能够扫描光线即可。作为扫描部，例如，可以使用作为电光材料的钽铌酸钾(KTN)晶体等其他部件。作为光线，例示了激光束的情况，但也可以为除了激光束以外的光。此外，光学部件的区域S1和区域S2的聚光能力也可以均为正或负的情况。此外，示出光线L0至光线L2入射到投影镜30的方向为水平方向的情况，但光线L0至光线L2也可以从垂直方向或倾斜方向入射。
以上，详细叙述了发明的实施例，但本发明不限于该特定的实施例，能够在权利要求书所记载的本发明的主旨范围内进行各种变形和变更。

Claims (9)

1.一种图像投影装置，其具有：
光源，其射出光线；
图像输入部，其输入图像数据；
控制部，其生成基于所输入的所述图像数据的图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；
透镜，其使从所述光源射出的所述图像光线成为大致平行光；
扫描部，其对通过所述透镜的所述图像光线进行扫描；
光学部件，其使所述扫描部扫描出的所述图像光线反射或透过；
投影镜，其将所述光学部件反射或透过的所述图像光线照射到用户的眼球的视网膜，而将图像投影到所述视网膜；以及
光线遮挡部，其设置于所述扫描部与所述透镜之间的所述图像光线的光路上，遮挡所述图像光线的一部分，并且具有使所述图像光线的剩余部分通过的开口，
所述投影镜具有第1区域和聚光能力比所述第1区域大的第2区域，
所述光学部件的第3区域的聚光能力比第4区域的聚光能力大，该第3区域使所述扫描部扫描出的所述图像光线中的、照射到所述第1区域的第1光线反射或通过，该第4区域使所述扫描部扫描出的所述图像光线中的、照射到所述第2区域的第2光线反射或通过，
在所述投影镜中，所述第1区域相比所述第2区域位于所述图像光线的入射侧。
2.根据权利要求1所述的图像投影装置，其中，
所述光学部件为反射镜，
所述反射镜的所述第3区域的曲率比所述反射镜的所述第4区域的曲率大。
3.根据权利要求1所述的图像投影装置，其中，
所述光学部件为衍射光栅。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的图像投影装置，其中，
所述第1区域和所述第2区域相对于所述投影镜内的与所述图像的中心对应的位置，位于所述图像光线入射的方向的两侧，
所述第1区域相比于所述第2区域，位于所述图像光线入射的方向上的光学部件侧。
5.一种图像投影装置，其具有：
光源，其射出光线；
图像输入部，其输入图像数据；
控制部，其生成基于所输入的所述图像数据的图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；
透镜，其使从所述光源射出的所述图像光线成为大致平行光；
扫描部，其对通过所述透镜的所述图像光线进行扫描；
反射镜，其对由所述扫描部扫描出的所述图像光线进行反射；
投影镜，其将由所述反射镜反射的所述图像光线照射到用户的眼球的视网膜，而将图像投影到所述视网膜；以及
光线遮挡部，其设置于所述扫描部与所述透镜之间的所述图像光线的光路上，遮挡所述图像光线的一部分，并且具有使所述图像光线的剩余部分通过的开口，
所述投影镜的表面具有自由曲面，该自由曲面具有第1区域和聚光能力比所述第1区域大的第2区域，
所述反射镜的表面具有自由曲面，该自由曲面包含凹曲面和聚光能力比所述凹曲面小的凸曲面，
在所述投影镜中，被所述凹曲面反射的图像光线进行反射的所述第1区域相比于被所述凸曲面反射的图像光线进行反射的所述第2区域，位于所述图像光线的入射侧。
6.一种图像投影装置，其具有：
光源，其射出光线；
图像输入部，其输入图像数据；
控制部，其生成基于所输入的所述图像数据的图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；
透镜，其使从所述光源射出的所述图像光线成为大致平行光；
扫描部，其对通过所述透镜的所述图像光线进行扫描；
反射镜，其对由所述扫描部扫描出的所述图像光线进行反射；
投影镜，其将由所述反射镜反射的所述图像光线照射到用户的眼球的视网膜，而将图像投影到所述视网膜；以及
光线遮挡部，其设置于所述扫描部与所述透镜之间的所述图像光线的光路上，遮挡所述图像光线的一部分，并且具有使所述图像光线的剩余部分通过的开口，
所述投影镜的表面具有自由曲面，该自由曲面具有第1区域和聚光能力比所述第1区域大的第2区域，
所述反射镜包含反射型衍射元件，该反射型衍射元件具有相位间距不同的相位分布，
在所述投影镜中，被所述反射型衍射元件中的具有聚光能力大的相位分布的区域反射的图像光线进行反射的所述第1区域，相比于被所述反射型衍射元件中的具有聚光能力小的相位分布的区域反射的图像光线进行反射的所述第2区域，位于所述图像光线的入射侧。
7.一种图像投影装置，其具有：
光源，其射出光线；
图像输入部，其输入图像数据；
控制部，其生成基于所输入的所述图像数据的图像光线，控制来自所述光源的所述图像光线的射出；
透镜，其使从所述光源射出的所述图像光线成为大致平行光；
扫描部，其对通过所述透镜的所述图像光线进行扫描；
光学部件，其使所述扫描部扫描出的所述图像光线透过；
投影镜，其将透过所述光学部件后的所述图像光线照射到用户的眼球的视网膜，而将图像投影到所述视网膜；以及
光线遮挡部，其设置于所述扫描部与所述透镜之间的所述图像光线的光路上，遮挡所述图像光线的一部分，并且具有让所述图像光线的剩余部分通过的开口，
所述投影镜的表面具有自由曲面，该自由曲面具有第1区域和聚光能力比所述第1区域大的第2区域，
所述光学部件包含透射型衍射元件，该透射型衍射元件具有相位间距不同的相位分布，
在所述投影镜中，透过所述透射型衍射元件中的聚光能力大的区域的图像光线进行反射的所述第1区域，相比于透过所述透射型衍射元件中的聚光能力小的区域的图像光线进行反射的所述第2区域，位于所述图像光线的入射侧。
8.根据权利要求1、5、6、7中的任意一项所述的图像投影装置，其中，
所述图像投影装置具有减光滤光片，该减光滤光片设置于所述光源与所述眼球之间的所述图像光线的光路上，使所述图像光线的强度下降。
9.根据权利要求8所述的图像投影装置，其中，
所述减光滤光片设置于所述透镜与所述扫描部之间。
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