JP2003255261A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザーの走査画像を観察者の眼球の網膜に
直接結像し、観察者の眼球の焦点位置に依存しない視認
性の高い表示装置を提供する。 【解決手段】 表示装置１は、レーザー光源３１、収束
用レンズ光学系３２、半透過鏡３３、強度計３４、第１
走査手段３５、第２走査手段３６、投射用レンズ光学系
３７、減光フィルター３８を備える。レーザー光源３１
から投射されたレーザー光束３１１は、収束用レンズ光
学系３２により収束され、強度計３４によるモニタのた
め半透過鏡３３により分岐され、第１走査手段３５、第
２走査手段３６により２方向に走査され、投射用光学系
レンズ３７により眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に向けら
れ、減光フィルター３８により減光される。このとき、
スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒを２．０３以上に固定
したレーザー光束３１１を、直接観察者の眼球５０Ｒ
（又は５０Ｌ）に投射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザーの走査画
像を観察者の眼球の網膜に直接結像し、観察者の眼球の
焦点位置に依存しない視認性の高い表示装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】表示装置として、ポータブルコンピュー
タや携帯電話に使用される液晶表示装置の他、各種の小
型液晶パネルを虚像光学系を介して眼前に投影するヘッ
ドマウントディスプレイが提案されている。ヘッドマウ
ントディスプレイは、ＶＧＡ〜ＸＶＧＡに至る画面を扱
うことが可能であり、多くの場合、対角で２０度から３
０度の視野角の画像を扱うことができる（http://www.s
himadzu.co.jp/hmd/index.htmlなど）。これらヘッドマ
ウントディスプレイの表示は、現状で用いられる一般的
なパーソナルコンピュータのディスプレイと同等の情報
量を表示することができ、かつ、頭部に装着するそのデ
ザインにより、携帯型表示機器に比べて軽い負担でその
表示装置を維持することが可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ヘッドマウン
トディスプレイでは、虚像光学系を用いるために、観察
者は常に同じ焦点位置に眼球を調節しなければならない
という問題がある。これは、液晶表示装置のような直視
型の表示装置でも起こる問題である。表示装置表面に形
成される画像に眼球の焦点（調節状態）を合わせない限
り、明瞭な結像状態を眼球の網膜面に結像できないから
である。

【０００４】又、ヘッドマウントディスプレイの多く
が、単にディスプレイ情報を読みとるだけではなく、外
界の画像情報とリンクしたディスプレイ情報を表示する
ことを試みている。この場合、外界を観察すると同時に
ディスプレイ情報を観察するためには、眼球の調整機構
を外界用とディスプレイ用のそれぞれに、そのつど調整
し直さなければならない。このため、眼精疲労や、それ
ぞれの情報の認識時間に大きな遅れが生じる場合があ
る。又、観察者によって眼球の調整能力は異なるため、
虚像光学系の調整が必要であり、これが負担となってい
た。

【０００５】一方、レーザー光のような、直進性の非常
に高い光を、単一のビームで眼球に入射した場合には、
眼球の調節状態の如何に関わらず、シャープな点像を網
膜上に結像する事ができる。しかしながら、画像形成を
意図した場合のような、パターンを持った複数本のビー
ムが入射した場合に、常にもとの画像を再現した、複数
のシャープな点像が得られるわけではない。これは、眼
球の調節状態により、網膜表面における結像状態、すな
わち結像倍率が変化するので、入射ビームの拡大率が変
わるためである。この現象により、意図した複数のビー
ムの中で、隣り合った２点が一部重なり合ったり、逆に
離れるなどして、意図したスポットパターンを再現でき
ない場合がある。

【０００６】そこで、本発明は、かかる問題に鑑み、レ
ーザーの走査画像を観察者の眼球の網膜に直接結像し、
観察者の眼球の焦点位置に依存しない視認性の高い表示
装置を提供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、本発明の第１の特徴は、（イ）眼球の視線上の測定
面に対して、スポット半径ｒでスポット中心間距離Ｌの
隣り合う２点のスポットを生じるレーザー光束を投射す
るレーザー光源と、（ロ）レーザー光束を一定の方向で
走査する第１走査手段と、（ハ）レーザー光束を第１走
査手段と異なる方向で走査する第２走査手段と、（ニ）
レーザー光束を眼球に投射する投射用レンズ光学系とを
備え、（ホ）スポット中心間距離Ｌをスポット半径ｒで
割ったスポット半径中心間距離比Ｌ／ｒが２．０３以上
になるように、レーザー光束を眼球に投射する表示装置
であることを要旨とする。ここで「測定面」とは、眼球
表面から１００ｍｍ離れた位置にある測定を行う面を指
す。それ以上若しくはそれ以下の距離における面での測
定を行った場合は、１００ｍｍの位置での測定における
値になるように補完して評価を行う。

【０００８】第１の特徴に係る表示装置によると、レー
ザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節し、スポッ
ト半径中心間距離比Ｌ／ｒを２．０３以上に固定したレ
ーザー光束を投射することにより、観察者がどのような
眼球調節状態にあっても、高い視認性を得ることができ
る。

【０００９】本発明の第２の特徴は、（イ）眼球の視線
上の測定面に対して、スポット直径の見込み角の半分θ
でスポット中心間角度ωの隣り合う２点のスポットを生
じるレーザー光束を投射するレーザー光源と、（ロ）レ
ーザー光束を一定の方向で走査する第１走査手段と、
（ハ）レーザー光束を第１走査手段と異なる方向で走査
する第２走査手段と、（ニ）レーザー光束を眼球に投射
する投射用レンズ光学系とを備え、（ホ）スポット中心
間角度ωをスポット直径の見込み角の半分θで割ったス
ポット見込み角中心間角度比ω／θが２．０３以上にな
るように、レーザー光束を眼球に投射する表示装置であ
ることを要旨とする。ここで「反射面」とは、眼球表面
から１００ｍｍ離れた位置にあり、表示装置からのレー
ザー光束を眼球へ向け反射させる面を指す。それ以上若
しくはそれ以下の距離における面での測定を行った場合
は、１００ｍｍの位置での測定における値になるように
補完して評価を行う。又、「スポット中心間角度ω」
は、投射される眼球から見た２点のスポット中心間の角
度である。同様に、「スポット直径の見込み角の半分
θ」は、投射される眼球から見たスポット直径の両端の
角度（見込み角）を半分にした角度である。

【００１０】第２の特徴に係る表示装置によると、レー
ザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節し、スポッ
ト見込み角中心間角度比ω／θを２．０３以上に固定し
たレーザー光束を投射することにより、観察者がどのよ
うな眼球調節状態にあっても、高い視認性を得ることが
できる。

【００１１】本発明の第３の特徴は、（イ）眼球の視線
上の反射面に対して、スポット半径ｒでスポット中心間
距離Ｌの隣り合う２点のスポットを生じるレーザー光束
を投射するレーザー光源と、（ロ）レーザー光束を一定
の方向で走査する第１走査手段と、（ハ）レーザー光束
を第１走査手段と異なる方向で走査する第２走査手段
と、（ニ）レーザー光束を反射面に反射させ眼球に投射
する投射用レンズ光学系とを備え、（ホ）スポット中心
間距離Ｌをスポット半径ｒで割ったスポット半径中心間
距離比Ｌ／ｒが２．０３以上になるように、レーザー光
束を反射面に反射させ眼球に投射する表示装置であるこ
とを要旨とする。

【００１２】第３の特徴に係る表示装置によると、レー
ザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節し、スポッ
ト見込み角中心間角度比ω／θを２．０３以上に固定し
たレーザー光束を、視線上に配置された反射面を介して
投射することにより、観察者がどのような眼球調節状態
にあっても、高い視認性を得ることができる。又、第３
の特徴に係る表示装置は、観察者の視線上から離れた位
置に設置されるので、観察者の前面を遮らないという利
点がある。更に、反射面を半透過性の材質にすることに
より、表示装置からのレーザー画像と反射面の背面から
の画像情報を重ねて観察することも可能である。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して、本発明の
第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記
載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符
号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、
厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実の
ものとは異なることに留意すべきである。従って、具体
的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきもの
である。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や
比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

【００１４】第１の実施の形態を説明する前に、単純な
近軸光学系による結像の様子を図７に示す。ここで、ｙ
_ｏは物１０の大きさ、ｙ_ｉは像１１の大きさを示す。Ｐ
_ｏ、Ｐ_ｉはそれぞれ物側主点位置と像側主点位置、
ｆ_ｏ、ｆ_ｉはそれぞれ物側焦点距離と像側焦点距離を表
す。又、ｚ_ｏは物１０から物側焦点までの距離、ｚ_ｉは
像側焦点から像１１までの距離、Ｓ_ｏは物１０から物側
主点までの距離、Ｓ_ｉは像側主点から像１１までの距離
を表す。

【００１５】まず、結像方程式により、 ｚ_ｏ：ｆ_ｏ＝ｙ_ｏ：ｙ_ｉ＝ｆ_ｉ：ｚ_ｉ …（１ ） が導かれる。像面上における、投影像の拡大率βは、 β＝ｙ_ｉ／ｙ_ｏ …（２） として表現される。式（１）、式（２）より、 β＝ｙ_ｉ／ｙ_ｏ＝ｆ_ｏ／ｚ_ｏ …（３） となる。よって、投影像の拡大率は、結像系の焦点距離
と物の位置によって一意的に決定されることがわかる。
特に、物点位置が決定されている場合、通常の光学レン
ズではその焦点位置の調節状態によらず、投影面におけ
る拡大率は一意的に決定されると考えてよい。ところ
が、人間の眼球は単純な単焦点レンズではない。表１に
グラストラッド（Gullustrad）の略式眼の値（”プラス
・イー（Plus E）”１９９８年８月号７４頁）を示す。

【００１６】

【表１】 眼球の状態として、無限遠を観察する状態である調節休
止状態と、もっとも近接している物体を観察する状態で
ある極度調節状態がある。これらの２つの状態で、眼球
の光学的特性は表１のように異なってくる。カメラなど
に用いる単純な単焦点レンズは、物側、像側それぞれの
焦点距離（以下「両焦点距離」と言う。）は変わらず
に、物側、像側それぞれの主点位置（以下「両主点位
置」と言う。）を変えることにより、フィルム面に投影
される像の焦点調節位置を変えている。このとき、レー
ザー光源を観察する場合などは、物位置が一定であれ
ば、投影面（カメラにおけるフィルム面、眼球における
網膜面）における像倍率は変わらない。これに対し、眼
球においては、両主点位置を変えるだけではなく、両焦
点距離も変化する。その結果、式（３）で示されるよう
に、眼球の調節状態によっては観察するレーザー光束の
大きさが変化し、しいては連続する２点を識別できなく
なる。一般に、物位置が一定であれば、焦点距離が大き
くなるほど像倍率が大きくなる。従って、同じ物体を観
察する場合、眼球の焦点距離が長くなるほど、つまり調
節休止状態に近いほど、網膜上における像の倍率は高く
なることになる。

【００１７】次に、グラストラッドの略式眼により眼球
の結像状態を表した模式図を図８に示す。調節休止時の
物側主点位置、物側焦点距離、像側主点位置、像側焦点
距離をそれぞれ、Ｐ_ｏ１、ｆ_ｏ１、Ｐ_ｉ１、ｆ_ｉ１とす
る。又、物１０から物側焦点までの距離、像側焦点から
像１１までの距離をそれぞれｚ_ｏ１、ｚ_ｉ１、物１０か
ら物側主点までの距離、像側主点から像１１までの距離
をそれぞれＳ_ｏ１、Ｓ _ｉ１とする。物１０の大きさはｙ
_ｏ、網膜面上に結像される像１１の大きさはｙ _ｉ１とす
る。物１０から物側主点までの距離ｚ１は、 ｚ_ｏ１＝Ｓ_ｏ１−ｆ_ｏ１ …（４） と表される。同様に、極度調節時の物側主点位置、物側
焦点距離、像側主点位置、像側焦点距離をそれぞれ、Ｐ
_ｏ２、ｆ_ｏ２、Ｐ_ｉ２、ｆ_ｉ２とする。又、物１０から
物側焦点までの距離、像側焦点から像１１までの距離を
それぞれｚ_ｏ２、ｚ_ｉ２、物１０から物側主点までの距
離、像側主点から像１１までの距離をそれぞれＳ_ｏ２、
Ｓ_ｉ２とする。網膜面上に結像される像１１の大きさは
ｙ_ｉ２とする。物１０から物側主点までの距離ｚ_ｏ２
は、 ｚ_ｏ２＝Ｓ_ｏ２−ｆ_ｏ２ …（５） と表される。ここで、式（３）を用い、調節休止時に、
大きさｙ_ｏの物１０を観察した際の網膜面上における像
倍率β１は、 β１＝ｆ_ｏ１／ｚ_ｏ１ …（６） となる。同様に、極度調節時の観察像の像倍率β２は、 β２＝ｆ_ｏ２／ｚ_ｏ２ …（７） と表現される。ここで、調節休止時の物側焦点距離ｆ_ｏ
１と極度調節時の物側焦点距離ｆ_ｏ２がほぼ等しく、調
節休止時の物１０から物側主点までの距離Ｓ_ｏ１と極度
調節時の物１０から物側主点までの距離Ｓ_ｏ２がほぼ等
しく、物側焦点距離ｆ_ｏ１、ｆ_ｏ２に比べ、物１０から
物側主点までの距離Ｓ_ｏ１、Ｓ_ｏ２ははるかに大きいこ
と、即ち、 ｆ_ｏ１≒ｆ_ｏ２≪Ｓ_ｏ１≒Ｓ_ｏ２ …（８） であると考えると、式（４）、式（５）から、 ｚ_ｏ１≒ｚ_ｏ２ …（９） が成り立つ。以上より、調節休止時と極度調節時の像倍
率の差を考えると、 β１／β２＝（ｆ_ｏ１／ｚ_ｏ１）／（ｆ_ｏ２／ｚ_ｏ２）≒ｆ_ｏ１／ｆ_ｏ２ …（１０） と表現される。

【００１８】ここで、表１より、ｆ_ｏ１＝16.740、ｆ_ｏ
２＝14.176を用いると、 β１／β２＝16.740／14.176＝1.181 …（１１） となる。つまり、任意の点にある物を観察する際、眼球
の状態が調節休止状態であるか極度調節状態であるかと
いう違いで、網膜面への結像倍率は約１．１８倍異なる
ということがわかる。ところで、この調節休止状態と強
度調節状態は、どの程度の距離の物体を観察する状態で
あるか検討をすると、計算上、調節休止状態では像側主
点から約１０ｍ、極度調節状態では像側主点から約０．
１ｍであった。つまり、およそ１０ｍの被写体深度の調
節によって、網膜上の像倍率は１．１８倍変化する。単
純計算によると、１ｍあたり１．０１８倍変化すると考
えられる。これを、眼球に投影される２つのレーザー光
束スポットを視認するという前提で考える。２つのレー
ザー光束スポットそれぞれが最大１．０１８倍変化する
ことから、スポットの半径に対するスポット間の中心位
置を２．０３（＝１．０１８×２）倍程度以上確保する
ことができれば、２つのスポットを別の物と認識でき、
１ｍ程度の視認距離を得ることができる。

【００１９】（第１の実施の形態）以上の計算結果を基
に、本発明の第１の実施の形態に係る表示装置１を用
い、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）にレーザー光束をあて、
隣り合う２点のスポット間の中心間距離あるいは中心間
角度を２．０３倍程度確保することによる効果を実証す
る。

【００２０】本発明の第１の実施の形態に係る表示装置
１は、レーザー光束３１１を投射し、投影像を観察者の
眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上に直接結像する直
接投射型表示装置である。観察者は、網膜上に結像した
２次元光学像を、画像情報として直接認識する。この表
示装置１は、図１に示すように、レーザー光源３１と、
第１走査手段３５、第２走査手段３６、投射用レンズ光
学系３７を備えている。更に、表示装置１は、収束用レ
ンズ光学系３２、半透過鏡３３、強度計３４、減光フィ
ルター３８を備えている。

【００２１】レーザー光源３１は、レーザー光束３１１
を投射する。レーザー光源３１から投射されるレーザー
としては、半導体レーザーが小型表示装置の光源として
好適である。

【００２２】第１走査手段３５は、レーザー光源３１か
らのレーザー光束３１１を一定の方向で走査し、第２走
査手段３６は、レーザー光源３１からのレーザー光束３
１１を第２走査手段３５と異なる方向で走査する。第１
走査手段３５、第２走査手段３６の走査する方向は任意
であるが、第１走査手段３５が水平方向に走査し、第２
走査手段３６が垂直方向に走査することが一般的であ
る。これらの走査手段により、２次元像を得ることがで
きる。第１走査手段３５、第２走査手段３６には、具体
的には、ポリゴンミラーやガルバノメーター、音響光学
効果素子等が用いられる。

【００２３】十分に集光されて直進性を持つレーザー光
をレーザー光源３１として用いる場合には、レーザー光
源３１、第１走査手段３５、第２走査手段３６だけの構
成で、十分な画像形成・投射機能を持つ。しかし、レー
ザー光の収束が十分ではない場合には、レーザー光源３
１に付随して、第１走査手段３５に至る前段階で、収束
用レンズ光学系３２などを装備し、レーザー光の収束を
行う必要がある。

【００２４】又、図１に示すように、表示装置１は、収
束用レンズ光学系３２の後段に半透過鏡３３、強度計３
４を備えている。半透過鏡３３は、レーザー光を分岐
し、その一部を強度計３４に送る。強度計３４は、レー
ザー光強度の測定を行う。表示装置１では、直接網膜に
レーザー光を結像するため、レーザー光強度をクラス１
以下の、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に無害なレベルの強
度に調整するためのモニタを行う必要がある。又、強度
計３４により、更に後段の第１走査手段３５、第２走査
手段３６や各種光学系を通過する際の強度の減衰を制御
・調整するためのモニタを行うことができる。図１で
は、レーザー光強度を測定するための半透過鏡３３によ
る分岐を第１の集光光学系である収束用レンズ光学系３
２の直後に配置している。半透過鏡３３及び強度計３４
を各種走査手段よりも後段に配置すると、ビーム本数が
多数となり、半透過鏡３３の配置や運用に複雑さが加わ
るためである。

【００２５】投射用レンズ光学系３７は、観察者の眼球
５０Ｒ（又は５０Ｌ）に向けて、レーザー光束３１１の
投射方向を任意に調節することができる。これにより、
眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）から臨む画像の視野が決定さ
れる。最後に配置された減光フィルター３８は、さらな
る減光が必要なときに用いられる。

【００２６】レーザー光源３１から投射されたレーザー
光束３１１は、収束用レンズ光学系３２により収束さ
れ、強度計３４によるモニタのため半透過鏡３３により
分岐され、第１走査手段３５、第２走査手段３６により
２方向に走査され、投射用光学系レンズ３７により眼球
５０Ｒ（又は５０Ｌ）に向けられ、減光フィルター３８
により減光される。その後、レーザー光束３１１は直接
観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に投射され、網膜上
にレーザー画像が結像される。

【００２７】第１の実施の形態に係る表示装置１による
と、レーザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節
し、レーザーの走査画像を観察者の眼球５０Ｒ（又は５
０Ｌ）内の網膜上に直接結像させることができる。

【００２８】ここで、表示装置１と観察者の眼球５０Ｒ
（又は５０Ｌ）表面の間に測定面３１０を配置して、投
射される２点のレーザー光束スポットの中心間位置の測
定を行った。測定面３１０におけるレーザー光束スポッ
トの模式図を図２に示す。

【００２９】図２は、測定面３１０上におけるレーザー
光束３１１によるスポット像を眼球５０Ｒ（又は５０
Ｌ）側より臨んだ模式図である。図２（ａ）では、２点
の隣り合うレーザー光束３１１のスポットの中心間距離
をＬとし、レーザー光束３１１のスポット半径をｒとし
ている。スポット半径ｒを固定し、スポット中心間距離
Ｌの値を変化させ、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒを
測定することを示す。又、図２（ｂ）では、２点の隣り
合うレーザー光束３１１のスポットの眼球５０Ｒ（又は
５０Ｌ）から見た中心間角度をωとし、レーザー光束３
１１の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）から見たスポット直径
に対する見込み角の半分をθとしている。スポット直径
に対する見込み角の半分θを固定し、スポット中心間角
度ωの値を変化させ、スポット見込み角中心間角度比ω
／θを測定することを示す。

【００３０】図３は、第１の実施の形態に係る表示装置
１を用いて、観察者３９が測定を行う様子を上から見た
模式図である。観察者右眼５０Ｒの視線延長上に、表示
装置１が設置され、表示装置１の入射光４５は、観察者
３９の視線に沿って観察者右眼５０Ｒに投射される。観
察者右眼５０Ｒと観察者左眼５０Ｌはついたて４６によ
って仕切られ、それぞれの眼の観察像はお互いに遮蔽さ
れている。観察者左眼５０Ｌの観察者左眼視線４７上に
は、観察者左眼５０Ｌの調節を恣意的に行うための画像
として、観察像Ａ（最近接視認位置）４８と観察像Ｂ
（最遠視認位置）４９を配置した。観察像Ａ４８、観察
像Ｂ４９は、それぞれ、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）の最
近接視認位置、最遠視認位置を確定する際の眼球調節を
行う観察像となる。第１の実施の形態では、眼球５０Ｒ
（又は５０Ｌ）へのレーザー画像の投射とともに、観察
者３９は、観察像Ａ４８を視認する。観察像Ａ４８を視
認可能な状態で、レーザー画像をも視認できる、最も眼
球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面に近い位置が最近接視認位
置として採用される。同様に、観察像Ｂ４９を視認可能
な状態で、レーザー画像をも視認できる最も眼球５０Ｒ
（又は５０Ｌ）表面から遠い位置が最遠視認位置として
採用される。

【００３１】測定は、以下の条件により行った。図３に
おいて、測定面３１０は、観察者右眼５０Ｒの表面から
１００ｍｍ離れた位置に配置した。表示装置１のレーザ
ー光束３１１のスポットは、測定面３１０において、直
径０．２ｍｍ（半径０．１ｍｍ）に固定した。表示装置
１から投射されるレーザー画像は、この半径０．１ｍｍ
のスポット中心間距離を変えた２つのレーザー光束スポ
ットである。眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）の状態を調節
し、この２つのレーザー光束スポットを２点として認識
できる最近接視認位置と最遠視認位置を調べた。スポッ
ト半径ｒを０．１ｍｍに固定し、スポット中心間距離Ｌ
を変えた場合の測定結果を表２に示す。表２中の「×」
とは、２つのレーザー光束スポットを２点として認識で
きなかったことを表す。

【００３２】

【表２】 表２より、例えば、スポット中心間距離が０．３ｍｍの
場合、最遠視認位置は１０ｍ以上、最近接視認位置は
０．２ｍであり、最遠視認位置と最近接視認位置の差で
ある視認可能範囲は９．８ｍ以上であることがわかる。

【００３３】又、表２から明らかであるように、スポッ
ト半径中心間距離比Ｌ／ｒ（スポット中心間距離とスポ
ット半径の比）が２．０３以上の場合には、顕著に視認
可能範囲が大きいことがわかる。スポット半径中心間距
離比Ｌ／ｒが２．０２以下の場合には、視認可能範囲は
測定誤差程度になり、ほとんど認められなかった。

【００３４】スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒの値を大
きくすればするほど視認可能範囲が広がることになる
が、スポットの集合を一つの画像、文字、あるいは記号
と認識することを考えると、スポット半径中心間距離比
Ｌ／ｒは１００以上の値をとることはないであろう。

【００３５】次に、レーザー光束３１１のスポット間位
置を、距離ではなく図２（ｂ）に示す中心間角度ωで測
定する。表３に、スポット直径の見込み角の半分θを約
３．４分に固定し、スポット中心間角度ωを変えた場合
の測定結果を示す。表３中の「×」とは、２つのレーザ
ー光束スポットを２点として認識できなかったことを表
す。

【００３６】

【表３】 表３に示すように、スポット見込み角中心間角度比ω／
θ（スポット中心間角度とスポット直径の見込み角の半
分の比）が２．０３以上の場合には、明らかに視認可能
範囲が大きいことがわかる。スポット見込み角中心間角
度比ω／θが２．０２以下の場合には、視認可能範囲は
測定誤差程度になり、ほとんど認められなかった。

【００３７】スポット見込み角中心間角度比ω／θの値
を大きくすればするほど視認可能範囲が広がることにな
るが、スポットの集合を一つの画像、文字、あるいは記
号と認識することを考えると、スポット見込み角中心間
角度比ω／θは１００以上の値をとることはないであろ
う。

【００３８】第１の実施の形態では、測定面３１０を眼
球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面から１００ｍｍの位置に固
定して測定を行ったが、それ以上若しくはそれ以下の距
離における面での測定を行った場合は、１００ｍｍの位
置での測定における値になるように補完して評価を行
う。

【００３９】第１の実施の形態に係る表示装置１を用い
て、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒあるいはスポット
見込み角中心間角度比ω／θを２．０３以上に固定した
レーザー光束３１１を投射することにより、観察者がど
のような眼球調節状態にあっても、高い視認性を得るこ
とができる。又、第１の実施の形態に係る表示装置１に
よると、観察者の眼球調節機能の個人差にも対応でき、
装置の調整に関するコスト低減にもつながる。

【００４０】（第２の実施の形態）第１の実施の形態に
係る表示装置１は、観察者の視線上に配置され、直接、
レーザー画像を観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の
網膜上に結像する直接投射型表示装置であるが、第２の
実施の形態に係る表示装置２は、観察者の視線上に配置
された反射面５１０にレーザー画像を投射し、間接的に
観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上に結像す
る間接投射型表示装置である。即ち、本発明の第２の実
施の形態に係る表示装置２は、図４に示すように、レー
ザー光源３１、第１走査手段３５、第２走査手段３６、
投射用レンズ光学系３７を備えている。更に、表示装置
２は、収束用レンズ光学系３２、半透過鏡３３、強度計
３４、減光フィルター３８を備えている。これらは、第
１の実施の形態に係る表示装置１と同様の構成であるの
で、ここでは説明を省略する。

【００４１】第２の実施の形態においては、図４の最終
段の投射用レンズ光学系３７により、反射面５１０を介
して、レーザー画像は観察者の眼球５０Ｒ（又は５０
Ｌ）に向けて投射される。これにより、眼球５０Ｒ（又
は５０Ｌ）から臨む画像の視野が決定される。ここで、
投射用レンズ光学系３７を用いずに、反射面５１０を曲
面加工し、観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）に集光さ
せることも可能である。又、投射用レンズ光学系３７を
用いつつ、曲面加工を施した反射面５１０を同時に用い
ることも可能である。レーザーによる走査範囲が広くな
り、一つのレンズ系や一つの曲面反射面などでは補正し
きれない状況においては、投射用レンズ光学系３７、曲
面化した反射面５１０等を複合的に用いることが必要で
ある。

【００４２】レーザー光源３１から投射されたレーザー
光束３１１は、収束用レンズ光学系３２により収束さ
れ、強度計３４によるモニタのため半透過鏡３３により
分岐され、第１走査手段３５、第２走査手段３６により
２方向に走査され、投射用レンズ光学系３７により眼球
５０Ｒ（又は５０Ｌ）に向けられ、減光フィルター３８
により減光される。その後、レーザー光束３１１は反射
面５１０に反射され、観察者の眼球５０Ｒ（又は５０
Ｌ）内の網膜上にレーザー画像が結像される。

【００４３】第２の実施の形態に係る表示装置２による
と、レーザーの投射方向、レーザー強度を任意に調節
し、図４に示す反射面５１０を介してレーザーの走査画
像を観察者の眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）内の網膜上に結
像させることができる。又、表示装置２の本体は視線上
から離れた位置に設置されるので、観察者の前面を遮ら
ないという利点がある。更に、反射面５１０を半透過性
の材質にすることにより、表示装置２からのレーザー画
像と反射面５１０の背面からの画像情報を重ねて観察す
ることも可能である。

【００４４】ここで、反射面５１０に投射される２点の
レーザー光束スポット間の測定を行った。図５は、反射
面５１０上におけるレーザー光束３１１によるスポット
像を眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）側より臨んだ模式図であ
る。図５（ａ）では、図２（ａ）と同様に、スポット半
径ｒを固定し、スポット中心間距離Ｌの値を変化させ、
スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒを測定することを示
す。図５（ｂ）では、図２（ｂ）と同様に、スポット直
径に対する見込み角の半分θを固定し、スポット中心間
角度ωの値を変化させ、スポット見込み角中心間角度比
ω／θを測定することを示す。

【００４５】図６は、第２の実施の形態に係る表示装置
２を用いて、観察者３９が測定を行う様子を上から見た
模式図である。観察者右眼５０Ｒの視線延長上に、反射
面５１０が設置される。表示装置２からの入射光４５
は、反射面５１０に反射され、観察者右眼５０Ｒに投射
される。観察者右眼５０Ｒと観察者左眼５０Ｌはついた
て４６によって仕切られ、それぞれの眼の観察像はお互
いに遮蔽されている。観察者左眼５０Ｌの観察者左眼視
線４７上には観察者左眼５０Ｌの調節を恣意的に行うた
めの画像として、観察像Ａ（最近接視認位置）４８と観
察像Ｂ（最遠視認位置）４９を配置した。観察像Ａ４
８、観察像Ｂ４９は、それぞれ、眼球５０Ｒ（又は５０
Ｌ）の最近接視認位置、最遠視認位置を確定する際の眼
球調節を行う観察像となる。第２の実施の形態でも、第
１の実施の形態と同様に、眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）へ
のレーザー画像の投射とともに、観察者３９は、観察像
Ａ４８を視認する。観察像Ａ４８を視認可能な状態で、
レーザー画像をも視認できる、最も眼球５０Ｒ（又は５
０Ｌ）表面に近い位置が最近接視認位置として採用され
る。同様に、観察像Ｂ４９を視認可能な状態で、レーザ
ー画像をも視認できる最も眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表
面から遠い位置が最遠視認位置として採用される。

【００４６】測定は、以下の条件により行った。図６に
おいて、反射面５１０は、観察者右眼５０Ｒの表面から
１００ｍｍ離れた位置に配置した。表示装置２のレーザ
ー光束３１１のスポットは、反射面５１０において、直
径０．２ｍｍ（半径０．１ｍｍ）に固定した。表示装置
２から投射されるレーザー画像は、この半径０．１ｍｍ
のスポット中心間距離を変えた２つのレーザー光束スポ
ットである。眼球５０Ｒ（又は５０Ｌ）の状態を調節
し、この２つのレーザー光束スポットを２点として認識
できる最近接視認位置と最遠視認位置を調べた。スポッ
ト半径ｒを０．１ｍｍに固定し、スポット中心間距離Ｌ
を変えた場合の測定結果を表４に示す。表４中の「×」
とは、２つのレーザー光束スポットを２点として認識で
きなかったことを表す。

【００４７】

【表４】 表４から明らかであるように、スポット半径中心間距離
比Ｌ／ｒ（スポット中心間距離とスポット半径の比）が
２．０３以上の場合には、顕著に視認可能範囲が大きい
ことがわかる。スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒが２．
０２以下の場合には、視認可能範囲は測定誤差程度にな
り、ほとんど認められなかった。

【００４８】スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒの値を大
きくすればするほど視認可能範囲が広がることになる
が、スポットの集合を一つの画像、文字、あるいは記号
と認識することを考えると、スポット半径中心間距離比
Ｌ／ｒは１００以上の値をとることはないであろう。

【００４９】次に、レーザー光束３１１のスポット間位
置を、距離ではなく図５（ｂ）に示す中心間角度ωで測
定する。表５に、スポット直径の見込み角の半分θを約
３．４分に固定し、スポット中心間角度ωを変えた場合
の測定結果を示す。表５中の「×」とは、２つのレーザ
ー光束スポットを２点として認識できなかったことを表
す。

【００５０】

【表５】 表５に示すように、スポット見込み角中心間角度比ω／
θ（スポット中心間角度とスポット直径の見込み角の半
分の比）が２．０３以上の場合には、明らかに視認可能
範囲が大きいことがわかる。スポット見込み角中心間角
度比ω／θが２．０２以下の場合には、視認可能範囲は
測定誤差程度であり、ほとんど認められなかった。

【００５１】スポット見込み角中心間角度比ω／θの値
を大きくすればするほど視認可能範囲が広がることにな
るが、スポットの集合を一つの画像、文字、あるいは記
号と認識することを考えると、スポット見込み角中心間
角度比ω／θは１００以上の値をとることはないであろ
う。

【００５２】第２の実施の形態では、反射面５１０を眼
球５０Ｒ（又は５０Ｌ）表面から１００ｍｍの位置に固
定して測定を行ったが、それ以上若しくはそれ以下の距
離における面での測定を行った場合は、１００ｍｍの位
置での測定における値になるように補完して評価を行
う。

【００５３】第２の実施の形態に係る表示装置２を用い
て、スポット半径中心間距離比Ｌ／ｒあるいはスポット
見込み角中心間角度比ω／θを２．０３以上に固定した
レーザー光束３１１を投射することにより、観察者がど
のような眼球調節状態にあっても、高い視認性を得るこ
とができる。又、第２の実施の形態に係る表示装置２に
よると、観察者の眼球調節機能の個人差にも対応でき、
装置の調整に関するコスト低減にもつながる。

【００５４】（その他の実施の形態）本発明は上記の実
施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論
述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべ
きではない。この開示から当業者には様々な代替実施の
形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

【００５５】例えば、本発明の第１及び第２の実施の形
態において、表示装置１、２の形状は特に規定していな
いが、頭部に装着するヘッドマウントディスプレイの表
示装置として搭載しても構わないし、ポータブルコンピ
ュータや携帯電話に使用される表示装置として搭載して
も構わない。

【００５６】又、本発明の第１及び第２の実施の形態に
係る表示装置１、２において、第１走査手段３５の後段
に第２走査手段３６を配置したが、この順序は逆でも構
わない。

【００５７】又、本発明の第２の実施の形態において、
反射面５１０は、表示装置２に含まれないと記述した
が、反射面５１０を含んで表示装置２としても構わな
い。

【００５８】このように、本発明はここでは記載してい
ない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。した
がって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特
許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められ
るものである。

【００５９】

【発明の効果】本発明によると、レーザーの走査画像を
観察者の眼球の網膜に直接結像し、観察者の眼球の焦点
位置に依存しない視認性の高い表示装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施に形態に係る直接投射型の
表示装置のブロック図である。

【図２】本発明の第１の実施に形態に係る表示装置の測
定面におけるレーザー光束像の模式図である。

【図３】本発明の第１の実施に形態に係る表示装置を用
いた測定例である。

【図４】本発明の第２の実施に形態に係る間接投射型の
表示装置のブロック図である。

【図５】本発明の第２の実施に形態に係る表示装置の反
射面におけるレーザー光束像の模式図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態に係る表示装置を用
いた測定例である。

【図７】結像の模式図（近軸近似）である。

【図８】眼球結像の模式図（近軸近似）である。

【符号の説明】

１、２ 表示装置 １０ 物 １１ 像 ３１ レーザー光源 ３２ 収束用レンズ光学系 ３３ 半透過鏡 ３４ 強度計 ３５ 第１走査手段 ３６ 第２走査手段 ３７ 投射用レンズ光学系 ３８ 減光フィルター ３９ 観察者 ３１０ 測定面 ３１１ レーザー光束 ４５ 入射光 ４６ ついたて ４７ 観察者左眼視線 ４８ 観察像Ａ（最近接視認位置） ４９ 観察像Ｂ（最遠視認位置） ５０Ｒ 観察者右眼 ５０Ｌ 観察者左眼 ５１０ 反射面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 眼球の視線上の測定面に対して、スポッ
   ト半径ｒでスポット中心間距離Ｌの隣り合う２点のスポ
   ットを生じるレーザー光束を投射するレーザー光源と、 前記レーザー光束を一定の方向で走査する第１走査手段
   と、 前記レーザー光束を前記第１走査手段と異なる方向で走
   査する第２走査手段と、 前記レーザー光束を前記眼球に投射する投射用レンズ光
   学系とを備え、 前記スポット中心間距離Ｌを前記スポット半径ｒで割っ
   たスポット半径中心間距離比Ｌ／ｒが２．０３以上にな
   るように、前記レーザー光束を前記眼球に投射すること
   を特徴とする表示装置。
2. 【請求項２】 眼球の視線上の測定面に対して、スポッ
   ト直径の見込み角の半分θでスポット中心間角度ωの隣
   り合う２点のスポットを生じるレーザー光束を投射する
   レーザー光源と、 前記レーザー光束を一定の方向で走査する第１走査手段
   と、 前記レーザー光束を前記第１走査手段と異なる方向で走
   査する第２走査手段と、 前記レーザー光束を前記眼球に投射する投射用レンズ光
   学系とを備え、 前記スポット中心間角度ωを前記スポット直径の見込み
   角の半分θで割ったスポット見込み角中心間角度比ω／
   θが２．０３以上になるように、前記レーザー光束を前
   記眼球に投射することを特徴とする表示装置。
3. 【請求項３】 眼球の視線上の反射面に対して、スポッ
   ト半径ｒでスポット中心間距離Ｌの隣り合う２点のスポ
   ットを生じるレーザー光束を投射するレーザー光源と、 前記レーザー光束を一定の方向で走査する第１走査手段
   と、 前記レーザー光束を前記第１走査手段と異なる方向で走
   査する第２走査手段と、 前記レーザー光束を前記反射面に反射させ前記眼球に投
   射する投射用レンズ光学系とを備え、 前記スポット中心間距離Ｌを前記スポット半径ｒで割っ
   たスポット半径中心間距離比Ｌ／ｒが２．０３以上にな
   るように、前記レーザー光束を前記反射面に反射させ前
   記眼球に投射することを特徴とする表示装置。