JP2007163882A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の二次元画像表示素子による画像観察系やレンズアレイを用いて、走査ビームが形成する二次元空中像を観察する光学系においても、共に接眼光学系を有するため、接眼光学系自体の大きさによって、この２次元画像観察装置の大きさは制約されていた。また、走査ビームが形成する２次元空中像を観察する光学系においては、光ビームの光路中に、光ビームを結像させるための、コリメートレンズやコリメートレンズと同様の働きをするレンズアレイを用いる必要があった。これらも２次元画像観察装置の小型化を制約していた。
【解決手段】 小型軽量を目的とした、接眼レンズ系を用いないＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）型画像観察装置で、眼球に近接させて走査ミラーを配置し、眼球に直接光ビームを入射して、網膜上に走査された画像を描画することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、網膜上に２次元画像を形成する走査型画像観察装置に関する。

従来、頭部装着型の表示装置（Head Mounted display、以下ＨＭＤ）が数多く提案されている。

従来のＨＭＤの光学系の概要を、図９を用いて説明する。照明光学系１１１は、二次元の画像表示素子１１２を照明する。画像表示素子１１２は、液晶パネルなどで構成され、透過光を変調し二次元の画像を形成する。二次元画像表示素子１１２は、接眼光学系１１４の焦点面近傍に置かれて、接眼光学系１１４によってその像を観察するという構成になっている。観察者１１５は、この二次元画像を接眼光学系１１４を介して観察する。従来例として図９では、透過型の二次元画像表示素子を使用した場合を示しているが、反射型の二次元画像表示素子を使用する場合もある。

また、二次元画像表示素子を利用しないで画像を形成するＨＭＤの光学系として、米国特許第５，７０１，１３２号明細書等に記載されている光学系が開示されている。図１０は、この従来技術の光学系の概要を示した図であり、光源１２１からの光ビームが集光光学系１２２により集光ビームとなり、集光光学系１２２の焦点付近にある走査光学系１２３に入射する。走査光学系１２３からの光ビームは接眼光学系１２４を介して観察者の目１２５に入射し、網膜上に光源の像を結ぶ。走査光学系１２３により光ビームが走査されると、光源像は網膜上を走査する構成になっており、観察者は二次元画像を観察することができる。この場合、中間像面１２４にマイクロレンズシートを配置して、光ビームを広げ、接眼からの射出瞳径を拡大することもなされている。

また、２次元画像表示装置を利用しないで画像を形成する別のＨＭＤの光学系として、特開２００３−２９１９７に記載されている光学系が開示されている。図１１（ａ），（ｂ）は、この従来技術の光学系の概要を示した図であり、二次元画像を、接眼光学系を介して空中像として観察する画像観察装置において、光ビーム１１を出射する光源３と、この出射された光ビームを集光する集光光学系４と、この集光された光ビームを走査する走査光学系５と、この走査される光ビームを集光して、光源の像を結像するレンズアレイ７と、前記走査される光ビームが前記レンズアレイの各レンズの焦点近傍に順次結像して形成される二次元画像８を空中像として観察する接眼光学系９とを備えることを特徴とする光学系が開示されている。図１１（ａ），（ｂ）において、光源３からの光は映像信号１に対応して制御回路２によって強度を変化されて発せられる。光源３はＬＥＤやレーザダイオード（ＬＤ）などが利用できる。また、強度を変化させる手段として、光源の強度を変調させる方法や、光源のＯＮ−ＯＦＦにより時間分割で変調制御する方法などが用いられる。

図１１（ａ），（ｂ）において、制御回路２と光源３および走査光学系５の間は電気的に接続される。そして走査光学系５は、映像信号１に対応して制御回路２によって制御され、入射光ビーム１１を偏向、走査を行う。
米国特許第５，７０１，１３２号公報 特開２００３−２９１９７号公報

しかしながら、従来の二次元画像表示素子による画像観察系やレンズアレイを用いて、走査ビームが形成する二次元空中像を観察する光学系においても、共に接眼光学系を有するため、接眼光学系自体の大きさによって、この２次元画像観察装置の大きさは制約されていた。また、走査ビームが形成する２次元空中像を観察する光学系においては、光ビームの光路中に、光ビームを結像させるための、コリメートレンズやコリメートレンズと同様の働きをするレンズアレイを用いる必要があった。これらも２次元画像観察装置の小型化を制約していた。

上述の問題を解決するため、本発明は、２次元画像を形成する機能として眼球自体のレンズ作用を用いることを特徴としている。そして、空中像を拡大観察するための接眼光学系や、２次元表示パネルを拡大観察するための接眼光学系を用いることなく、眼に近接させた位置から、走査ビームを直接眼に投入して、網膜に２次元走査画像を形成することを特徴としている。また、眼に近接配置する方法を特徴としている。

以上説明したように、本発明は光ビーム走査系からの走査された略平行の光線束を直接眼に入射して、眼球の角膜と水晶体のレンズ作用によって直接網膜上に２次元走査画像を観察することを特徴としている。もともと光源として用いるＬＤやＬＥＤ自体が略平行ビームを発生するので直接眼に入射するに最適である。

そして、接眼光学系を用いていないため、極めて小型の画法観察装置を提供できる。また、この画像観察を利用しないときは、前方を見渡すこともできる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

まず、図１を参照して第１の実施形態を説明する。図１は本発明の走査型画像観察装置の光学系の概略の断面構成図である。図１において、光源1３１から発せられた略平行な光ビーム１１は、直接に２次元走査光学系１３２により反射、偏向されて直接眼に入射し、網膜上に２次元の走査画像を形成する。

ここで人間の瞳１０１の大きさをＤ、観察する画像の大きさをθ、走査光学系１３２と瞳１０１の距離Ｌとすると、
Ｌ＝｛ｔａｎ（θ／２）｝／｛Ｄ／２｝の関係が得られる。

ここで通常の瞳の大きさとして、Ｄ＝φ３ｍｍ、観察する画像の大きさを１５°とするとＬ＝１１．４ｍｍがえられ、上瞼１０２および下瞼１０３の動きを妨げずに眼球１２６表面に近接させて配置できる。

光ビーム１１の太さを考慮すれば、より距離を離したり、又は観察する画像の大きさを広げたりすることもできる。眼に入射した光ビームは眼の角膜と水晶体のレンズ作用によって、網膜上に走査された光画像を形成する。

更に、眼の運動を観察した結果、上瞼１０２に比べて下瞼１０３の動きは少なくて睫も少ないことがわかる。また、眼球自体の上下方向の動きにしても、情報より下方に動きやすいため、瞼の動きを妨げない下瞼の下側の位置に筐体１３０を配置した。１３３は光透過窓で、高速で振動する２次元走査光学系１３２の破損等の事故時に飛散した破片から眼球１２６を防御するためのものである。勿論、筐体自体が光透過性物質であってもよい。１３４は信号処理部である。

図２は本実施例の顔への装着図を示している。１３０は筐体である。顔へ固定は、眼の下の顔面に粘着材で行っている。勿論、接着やバキュームパッドで固定してもよい。仮に筐体に物が当たっても、眼球への安全が保てるように、顔面への固定強さと筐体の構造をもつ必要がある。また、仮に筐体が動いても眼球に損傷を与えないことも必要である。２１１は外部への信号ケーブルであり、走査光学系との駆動信号、光源の駆動信号等を外部とやり取りしている。

図７は走査光学系の例を示す。走査光学系は単結晶シリコン製の微小平面ミラー３１から成り、ミラーの表面はアルミニウムもしくは銀を蒸着することにより反射率を高めている。また、微小平面ミラー３１は２本のトーションバー３２，３３により保持されており、それぞれ水平方向、垂直方向の走査方向に対応し、ねじれ振動する。微小平面ミラー３１は、ミラーと共に設置される電極（図示称略）との間の静電気力により共振駆動する。特にちらつきのない画像を得るため、垂直方向の走査周波数は３０Ｈｚ以上とする。水平方向の走査周波数は表示画像の解像度と垂直方向の走査周波数に依存する。図８は光源の図を示している。光源は略平行の光ビームを出す必要があるため、ＬＥＤやＬＤが用いられる。また図８では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各3原色を発生する光源を光ビーム間の距離を近づけるため一体にまとめている。３本のそれぞれ略平行な光ビームは全体としても平行な光ビーム１１として眼球に入射し、網膜上で色合成される。従来は、ダイクロイックプリズム等を用いて色合成していたため、光源の小型化が難しかった。

次に図３を参照して、第２の実施形態を説明する。図３は、第２の実施形態の概略構成を示し、第１の実施形態と比べ、複数のミラーを用いて、画像観察の範囲を広げた実施例である。実施例１で示した画像観察装置では観察できる画像の大きさが小さいという問題があった。これを解決するために複数の画像を網膜上で並べて配置し、より広い画像を合成しようとするものである。

図４は本発明の第３の実施形態を説明する。図４は瞳の大きさを拡大するために、全体（あるいは一部）を覆って暗くした実施例である。２１０は筐体で、眼球１２６との距離を保証している。２１０ａは透過窓で、走査画像を観察しない場合に前方を見渡すための窓である。眼球１２６の環境を完全に暗くすれば、瞳の大きさはφ８ｍｍ程度に広がるため、より大きな画像を観察できる。２１０ａの透過窓の光透過率を電気的に変えて、明るい状態から暗室状態までを実現できる（図示無し）。

図５は図４で示した実施例を顔面に装着した図を示している。図５では単眼のみを示しているが勿論両眼に装着することもできる。２１２は伸縮性のひも状部材で、弾性的に筐体を顔面に固定している。２１１は外部との信号ケーブルである。

図６は本発明の第４の実施例を示した図である。眼鏡の下方の一部に光源と２次元走査光学系を内蔵した筐体５１０を眼鏡に装着した実施形態である。筐体は顔面１０４に接触することで眼球と走査光学系の距離を保証している。５１２は眼鏡のレンズ部、５１１はめがねのつるを示している（図６ではつるの一部をカットして、眼球の状態を示している）。

本発明の第１の実施形態の概略構成図。 第１の実施形態における顔への装着図。 本発明の第２の実施形態の概略構成図。 本発明の第３の実施形態の概略構成図。 第３の実施形態における顔への装着図。 本発明の第４の実施形態における顔への装着図。 走査光学系の説明図。 光源の説明図。 従来のＨＭＤの概略構成図。 従来のＨＭＤの概略構成図。 従来のＨＭＤの概略構成図。

符号の説明

１ 映像信号
２ 制御回路
３ 光源
４ コリメート光学系
５ 走査光学系
６ コリメートレンズ
７ Ｍレンズアレイ
８ 空中像パネル
９ 接眼光学系
９ａ プリズム屈折面
９ｂ 平面（全反射面）
９ｃ 自由曲面反射面
１０ 観察者
１１ 光ビーム
３１ 微小平面ミラー
３２ トーションバーｘ
３３ トーションバーｙ
５１ 像点
７１ 走査光学系
７１ａ 水平方向走査系
７１ｂ 垂直方向走査系
７２ 光源
８１ 色合成系
１０１ 瞳
１０２ 上瞼
１０３ 下瞼
１０４ 顔面
１１１ 照明光学系
１１２ ＬＣＤパネル
１１３ ディフューザ
１１４ 接眼光学系
１１５ 観察者
１２１ 光源
１２２ コリメートレンズ
１２３ 走査光学系
１２４ 中間像面
１２５ 接眼光学系
１２６ 眼球
１３０ 筐体
１３１ 光源
１３１ａ 第１の光源
１３１ｂ 第２の光源
１３２ 微小ミラー
１３２ａ 第１の微小ミラー
１３２ｂ 第２の微小ミラー
１３３ 透過窓
２１０ 筐体
２１０ａ 透過窓
２１１ 信号ケーブル
５１０ 筐体
５１１ つる
５１２ めがね

Claims (5)

1. 二次元画像を、観察する画像観察装置において、
   光ビームを出射する光源と、
   この集光された光ビームを走査する走査光学系と、
   この走査される光ビーム直接眼に入射することを特徴とする走査型画像観察装置。
2. 前記走査光学系は、直交した２つの回転軸を持つ少なくとも１枚の振動ミラーにより構成されることを特徴とする請求項１記載の走査型画像観察装置。
3. 前記走査光学系は、２次元画像を網膜上に形成するための眼球に近接させ、かつ上瞼の動きを妨げない下瞼の下方で、顔面にから距離を保って配置したことを特徴とする請求項１〜２に記載の走査型画像観察装置。
4. 請求項３に記載の顔面から距離を保つ方法は、振動ミラーを収納する筐体の一部を直接顔面に固定することを特徴とする走査型画像観察装置。
5. 前記光源の強度を映像信号に対応して変調することにより、二次元画像の階調を表現する変調手段を備えることを特徴とする請求項１〜４記載の走査型画像観察装置。

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