JP2007272250A

JP2007272250A - 映像付与装置

Info

Publication number: JP2007272250A
Application number: JP2007154474A
Authority: JP
Inventors: Takahisa Ando; 孝久安東
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】眼疾患者に鮮明な映像を与えることができる映像付与装置を提供する。
【解決手段】平行化光源１０からの平行光を液晶表示パネル１に透過させて得られる映像光は、再回折光学系４０に導かれる。再回折光学系４０を経た映像光は、リレーレンズ等から成るリレー光学系３０を経て接眼光学系２０′に導かれる。この構成では、接眼光学系２０′はレンズ２１のみから成り、このレンズ２１は、観察者（眼疾患者）の眼球Ｅの瞳孔中心や角膜白濁を生じていない箇所や人口瞳孔に後焦点が位置するように設けられる。
【選択図】図４

Description

この発明は、映像付与装置に関する。

網膜の一部に疾患を有している場合、眼球の水晶体によって網膜上に投影される外界光のうち、疾患部分に導かれる外界光は知覚されず、視野内における前記疾患部に対応する箇所での映像が欠落等して見えることになり、特に、疾患部分が網膜の中心部に存在する場合には、外界からの情報のうちの重要な部分の多くを失うことになる。また、水晶体の光透過性に疾患がある場合には、水晶体外に人工的に瞳孔（穴）を形成することが行われるが、この人工瞳孔では鮮明な映像を見ることはできない。また、水晶体の焦点調節機能に疾患がある場合には、眼鏡を着用することになるが、一つの眼鏡を領域分けせずに遠近に対応することは困難である。また、水晶体の焦点機能を失っている場合には、外界光を網膜に結像させることができず、外界の明暗は認識できても映像を鮮明に認識することは困難である。
特開２０００−１２１９９２号公報特開２０００−２６７０４１号公報特開２００１−４２２５７号公報

この発明は、上記の事情に鑑み、眼疾患者に鮮明な映像を与えることができる映像付与装置を提供することを目的とする。

この発明の映像付与装置は、非発振自然放出光を出射する発光部を有して平行乃至略平行の光を供給する光源と、前記光源からの光を映像表示パネルにて変調して映像光を出力する映像生成光学系と、一対の集光素子及びこれら集光素子の互いの焦点位置に配置されたピンホールから成り前記映像生成光学系の側の前記集光素子にて集光した前記映像光を前記ピンホールに通して眼球側の前記集光素子に導く光学系と、この光学系と眼球との間に位置する接眼集光素子と、前記光学系と前記接眼集光素子との間に存在して前記映像表示パネルの実像を形成する光路と、を備えており、マックスウェル視によって前記映像表示パネル上の映像を観察者に観察させるべく前記接眼集光素子の介在によって前記ピンホールの共役点を眼球位置に置くとともに前記映像表示パネルの前記実像と網膜とが共役の関係を満たすことを特徴とする。

上記の構成であれば、空間光変調素子により生成される映像（例えば、外界をＣＣＤカメラで撮像した映像）は、眼球水晶体におけるレンズ機能の影響を受けずに網膜に直接投影されることになる。また、人口瞳孔や角膜混濁で狭い光通路しかないような場合でも、映像を網膜に直接投影できる。そして、非発振自然放出光を出射する発光部を有して成る光源を用いるから、コヒーレントノイズ（映像ノイズ）の発生を抑制できる。また、前記ピンホールを有する構成であるから、空間光変調素子の各画素部分からの光に多少の広がりがあっても（例えば、ＬＥＤ等を光源とするような場合でも）、光線束は絞られて深い焦点深度を与えることができ、鮮明な映像を認識させることができる。更に、前記ピンホールの共役点を眼球の瞳孔中心に置くことができるので、眼前にピンホールを直に置く構成に比べ、眼疾患者に広い視野を与えることができる。

前記光源は拡散光を平行光化して前記空間変調素子に与える平行光源であるのが望ましい。また、前記平行光源は一対の集光素子間の互いの焦点位置にピンホールを備えているのがよい。また、前記平行光源のピンホールには光拡散手段が設けられているのがよい。

これら構成の映像付与装置において、前記光源は白色光源であり、前記空間光変調素子は赤色光用と緑色光用と青色光用の変調部を備えているのがよい。これによれば、眼疾患者にカラー映像を付与することができる。

以上説明したように、この発明によれば、空間光変調素子により生成される映像は、眼球水晶体を通すときでも、そのレンズ機能の影響を受けず、また、人工瞳孔を通すときにおいても、網膜に直接投影されることになり、映像を鮮明に認識させることが可能となる。非発振自然放出光を出射する発光部を光源とするので、コヒーレントノイズ（映像ノイズ）の発生を抑制できる。空間光変調素子の各画素部分からの光に多少の広がりがあっても、光線束は絞られて深い焦点深度を与えることができ、鮮明な映像を認識させることができる。また、前記ピンホールの共役点を眼球の瞳孔中心に置くことができるので、眼前にピンホールを直に置く構成に比べ、眼疾患者に広い視野を与えることができる。尚、本映像付与装置は眼疾患者に対して有効であるだけでなく、健常者でも使用可能であることは言うまでもない。健常者と言えども、極度の近視から遠視まで各個人の眼球光学系の屈折度が異なるが、本映像付与装置では、呈示される映像の焦点深度が非常に深いため、健常者の視度調整を個人毎に行う必要がない。また、本映像付与装置を両眼に装備して、それぞれ左右視差のある映像を呈示する立体視も可能である。その際には、調節（屈折）がいかなる状態であっても映像が観察できる本映像付与装置では、２眼立体視で発生する調節と輻輳の乖離という問題が解決できる。

以下、この発明の実施形態の映像付与装置を図１乃至図６に基づいて説明する。

図１（ａ）は映像付与装置の概略構成を示すと共に、その出射映像光の眼球Ｅへの導かれかたを示している。同図（ｂ）（ｃ）は比較のための参考図であり、この発明を示すものではない。また、図２（ａ）にはテレセントリック光学系を示し、同図（ｂ）には通常のレンズ光学系を示している。

参考図である図１（ｂ）では、ヘッドマウントディスプレイなどにおいて用いられている光学系を示している。かかる光学系では、空間光変調素子である液晶表示パネル１を経て得られる映像光をレンズＬによって観察者の眼球Ｅへ導いている。レンズＬは、眼球Ｅの網膜上への結像には使用されず、単に拡大虚像を得るためのレンズとして使用されている。すなわち、眼球Ｅの水晶体のレンズ作用によって網膜上に像を結像させており、水晶体の焦点調節機能が正常であることが前提であり、眼疾患者に鮮明な映像を付与することはできない。

参考図である図１（ｃ）においては、本発明と同様にマックスウェル視によって眼疾患者に映像を観察させる構成であるが、光源にレーザ光源（発振光源）を用いる点で本願発明と相違している。かかる構成では、映像のカラー化が困難であり、また、コヒーレントノイズ（映像ノイズ）が発生し易い。

図１（ａ）に示すように、この発明の理解に参考となる映像付与装置では、非発振自然放出光を出射するＬＥＤ等から成る光源を用いると共に、テレセントリック光学系（レンズＬの後焦点に絞り（ピンホール２）を置く構成）によって網膜投影を行う（レンズＬは眼球Ｅの網膜への結像に使用される）。前記ＬＥＤ光源を用いるため、映像発光点（液晶表示パネル１の各開口）からの光は幾分広がりを持つことになるが、テレセントリック光学系を構成するピンホール２（例えば、直径０．６ｍｍ）によって光線束は絞られて焦点深度が深められ、液晶表示パネル１により生成される映像は眼球Ｅの水晶体におけるレンズ機能の影響を受けずに網膜に直接に投影され、眼疾患者に鮮明な映像を与える。勿論、人口瞳孔や角膜混濁で狭い光通路しかないような場合でも、映像を網膜に直接投影できる（図では人口瞳孔の場合を例示している）。また、このように、ＬＥＤ光源を用いることで、コヒーレントノイズ（映像ノイズ）の発生が抑制されることになる。更に、ＬＥＤとして白色ＬＥＤを用いると共にカラー対応の液晶表示パネルを用いれば、眼疾患者にカラー映像を付与できる。尚、図２（ａ）は、テレセントリック光学系を正常な眼球を通して観察した状態であり、ピンホール２を無くすと同図（ｂ）の通常光学系となる。また、レンズＬとその焦点距離ｆ、液晶表示パネル１、及びそれらの配置関係は、図１（ａ）と同じである。図１（ａ）では、液晶表示パネル１と網膜が共役の関係、すなわち、液晶表示パネル１の映像がレンズＬの結像作用で網膜Ｅ上に結像している。この状態で、レンズＬと網膜Ｅの間に、眼球の水晶体が入る図２においては、液晶表示パネル１上に表示された１点の結像点Ｐと網膜Ｅはずれることになる。この状態においては、同図（ｂ）の通常光学系では、点Ｐから広がる光が網膜Ｅ上に照射されることになり、網膜上では結像しない。しかし、同図（ａ）では、ピンホール２の作用により、Ｐから網膜Ｅの間で広がる光が制限されるので、網膜Ｅ上において結像点Ｐと同様の光が観察できる。すなわち、同図（ａ）のテレセントリック光学系は、レンズＬの結像条件が、図１（ａ）の状態（眼球の水晶体がない場合）から図２（ａ）のように水晶体がある場合まで成り立つことになり、焦点深度が非常に深い映像を呈示できる。

次に、映像付与装置の具体的構成を説明していく。

図３（ａ）に示す、この発明の理解に参考となる映像付与装置は、平行化光源１０を備えている。この平行化光源１０は、高輝度の平行光型ＬＥＤ１１と、レンズ１２と、ピンホール１３と、拡散板１４と、レンズ１５とから成る。平行光型ＬＥＤ１１は、ＬＥＤ素子部と放物面ミラー部とから成る。レンズ１２とレンズ１５は両者の焦点距離を足した距離だけ離間して配置されており、光線の絞り位置で前記ピンホール１３を光源光が透過するようにしている。また、光源光が拡散板１４を透過することで、輝度分布を平坦化した光源光が得られる。液晶表示パネル１を透過して得られる映像光は接眼光学系（マックスウェル視）２０に供給される。この構成では、接眼光学系２０はレンズ２１とピンホール２とから成る。レンズ２１は観察者（眼疾患者）の眼球Ｅの近接位置に後焦点が位置するように設けられる。ピンホール２は、前記後焦点位置に配置され、マックスウェル視によって観察者に映像を観察させる。

図３（ｂ）に示す、この発明の理解に参考となる映像付与装置では、高輝度の平行光型ＬＥＤ１１を光源とし、平行光型ＬＥＤ１１の出射光をそのまま液晶表示パネル１に供給している。そして、この液晶表示パネル１を経て得られる映像光を接眼光学系２０にて眼球Ｅに導いている。かかる構成は、光源光の平行度が前記図３（ａ）の構成に比べて低く、光の損失が多少多くなるが、光学要素数が少なく、構造の簡素化と低コスト化に有利である。

図４に示すこの発明の映像付与装置は、光源として前記平行化光源１０を備えている。この平行化光源１０からの平行光を液晶表示パネル１に透過させて得られる映像光は、再回折光学系４０に導かれる。再回折光学系４０は、レンズ４１とレンズ４２とピンホール２とから成る。レンズ４１とレンズ４２は両者の焦点距離を足した距離だけ離間して配置されており、光線の絞り位置で前記ピンホール２を映像光が透過するようにしている。再回折光学系４０を経た映像光は、リレーレンズ等から成るリレー光学系３０を経て接眼光学系２０′に導かれる。この構成では、接眼光学系２０′はレンズ２１のみから成り、このレンズ２１は、観察者（眼疾患者）の眼球Ｅの瞳孔中心や角膜白濁を生じていない箇所や人口瞳孔（以下、瞳孔中心等という）に後焦点が位置するように設けられる。かかる構成であれば、前記ピンホール２の共役点を観察者の眼球Ｅの瞳孔中心等におくことが可能であり、眼前にピンホール２を直に置く構成に比べ、眼疾患者に広い視野を与えることができる。

図５（ａ）に示す、この発明の理解に参考となる映像付与装置は、通常のモールド型ＬＥＤ１６を光源とし、モールド型ＬＥＤ１６の出射光を液晶表示パネル１にそのまま供給している。そして、この液晶表示パネル１を経て得られる映像光を接眼光学系２０にて眼球Ｅに導いている。かかる構成において、前記モールド型ＬＥＤ１６と液晶表示パネル１との間の距離を十分にとることで光源光において平行度を稼ぐことができる。光源光の平行度は前記図３（ａ）の構成に比べて低く、光の損失が多くなるが、光学要素数が少なく、構造の簡素化と低コスト化に有利である。

図５（ｂ）に示す、この発明の理解に参考となる映像付与装置は、平行化光源１０′を備える。この平行化光源１０′は、通常のモールド型ＬＥＤ１６を光源とし、このモールド型ＬＥＤ１６をコリメータレンズ１７の焦点位置に配置した構成を有する（ケーラー照明）。平行化光源１０′からの平行化された光源光は液晶表示パネル１に供給され、この液晶表示パネル１を経て得られる映像光が接眼光学系２０によって眼球Ｅに導かれる。かかる構成も前記図３（ａ）の構成に比べれば光源光の平行度は低いものとなるが、上記図５（ａ）に比べれば光源光の平行度は高められたものとなる。

図６（ａ）に示すこの発明の映像付与装置は、平行化光源１０″を備える。この平行化光源１０″は、チップタイプ（非モールド）のＬＥＤ１８を光源とし、このチップタイプＬＥＤ１８をコリメータレンズ１９の焦点位置に配置した構成を有する（ケーラー照明）。この平行化光源１０″からの平行光を液晶表示パネル１に透過させて得られる映像光は、再回折光学系４０に導かれる。再回折光学系４０は、レンズ４１とレンズ４２とピンホール２とから成る。レンズ４１とレンズ４２は両者の焦点距離を足した距離だけ離間して配置されており、光線の絞り位置で前記ピンホール２を映像光が透過するようにしている。再回折光学系４０を経た映像光は、リレーレンズ等から成るリレー光学系３０を経て接眼光学系２０に導かれる。この構成では、図４に示した構成と同様、ピンホール２の共役点を瞳孔中心等におくことが可能であり、眼前にピンホール２を直に置く構成に比べ、眼疾患者に広い視野を与えることができる。

図６（ｂ）に示す、この発明の理解に参考となる映像付与装置は、チップタイプ（非モールド）のＬＥＤ１８を光源とし、チップタイプＬＥＤ１８の出射光（拡散光）をレンズ５０にて集光化して液晶表示パネル１に導いている。液晶表示パネル１を経た集光化状態の映像光は、その集光位置に配置されたピンホール２を経て再び拡散状態の映像光となる。そして、この拡散状態の映像光は、接眼光学系２０″に導かれる。接眼光学系２０″はレンズ２２のみから成る。このレンズ２２は、前記拡散状態の映像光を集光化するものであり、その集光点が観察者（眼疾患者）の眼球Ｅの瞳孔中心等に位置するように設けられる。かかる構成においても、ピンホール２の共役点を瞳孔中心等におくことが可能であり、眼前にピンホール２を直に置く構成に比べ、眼疾患者に広い視野を与えることができる。しかも、平行光化に必要な光学系を不要としており、また、前記図６（ａ）では焦点深度を稼ぐための再回折光学系４０に相当する部分をレンズ５０乃至ピンホール２の光学系で実現しており、光の利用効率も損なわず、光路を短くして高輝度化・小型化を図ることができる。

なお、以上の説明においては、光源から眼球までの光学系を直線的に構成したが、ミラーやプリズムを用いて非直線的構成とすることもできる。また、集光素子としてレンズを用いたが、これに替えてホログラム集光素子や凹面鏡を用いることができる。また、空間光変調素子として透過型の液晶表示パネル１を示したが、他の透過型の映像表示パネル、反射型の液晶表示パネルや他の映像表示パネル（ＤＭＤ：ディジタル・マイクロミラー・デバイスなど）を用いることができる。また、ＬＥＤに替えて、小型ランプ、光ファイバーでガイドした白色光源等の非発振自然放出光を出射する発光部を用いることができる。

同図（ａ）はこの発明の理解に役立つ映像付与装置の概略構成を示すと共に、その出射映像光の眼球への導かれかたを示した説明図であり、同図（ｂ）（ｃ）は比較のための参考図である。同図（ａ）にはテレセントリック光学系を示した説明図であり、同図（ｂ）は通常のレンズ光学系を示した説明図である。同図（ａ）はこの発明の理解に参考となる映像付与装置の具体例を示した説明図であり、同図（ｂ）はこの発明の理解に参考となる映像付与装置の他の具体例を示した説明図である。この発明の実施形態の映像付与装置を示した説明図である。同図（ａ）はこの発明の理解に参考となる映像付与装置の他の具体例を示した説明図であり、同図（ｂ）はこの発明の理解に参考となる映像付与装置の他の具体例を示した説明図である。同図（ａ）はこの発明の映像付与装置の他の具体例を示した説明図であり、同図（ｂ）はこの発明の理解に参考となる映像付与装置の他の具体例を示した説明図である。

符号の説明

１液晶表示パネル（空間変調素子）
２ピンホール
１０平行化光源
１１平行光型ＬＥＤ
１０′平行化光源
１０″平行化光源
２０接眼光学系
２０′接眼光学系
２０″接眼光学系
３０リレー光学系
４０再回折光学系

Claims

非発振自然放出光を出射する発光部を有して平行乃至略平行の光を供給する光源と、前記光源からの光を映像表示パネルにて変調して映像光を出力する映像生成光学系と、一対の集光素子及びこれら集光素子の互いの焦点位置に配置されたピンホールから成り前記映像生成光学系の側の前記集光素子にて集光した前記映像光を前記ピンホールに通して眼球側の前記集光素子に導く光学系と、この光学系と眼球との間に位置する接眼集光素子と、前記光学系と前記接眼集光素子との間に存在して前記映像表示パネルの実像を形成する光路と、を備えており、マックスウェル視によって前記映像表示パネル上の映像を観察者に観察させるべく前記接眼集光素子の介在によって前記ピンホールの共役点を眼球位置に置くとともに前記映像表示パネルの前記実像と網膜とが共役の関係を満たすことを特徴とする映像付与装置。
請求項１に記載の映像付与装置において、前記光源は拡散光を平行光化して前記映像表示パネルに与える平行光源であることを特徴とする映像付与装置。
請求項２に記載の映像付与装置において、前記平行光源は一対の集光素子間の互いの焦点位置にピンホールを備えていることを特徴とする映像付与装置。
請求項３に記載の映像付与装置において、前記平行光源のピンホールには光拡散手段が設けられていることを特徴とする映像付与装置。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の映像付与装置において、前記光源は白色光源であり、前記映像表示パネルは赤色光用と緑色光用と青色光用の変調部を備えていることを特徴とする映像付与装置。