JP2008216599A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】網膜走査型であって、虚像と実像とを同時に視認させる画像表示装置で、黒色を表現するとともに、光学系を小型化する。
【解決手段】画像光ＩＬを観察者Ｐの網膜Ｆに導くリレーレンズを構成する第２のレンズ９１を、その光軸ＡＸが観察者Ｐの瞳孔と交差するように配置し、画像光ＩＬを全反射する反射ミラーＭを、その反射面が第２のレンズ９１の光軸ＡＸと交差するように配置する。そして、画像光ＩＬの２次元走査中に、一部の画像光ＩＬを観察者の網膜に投射させないようにする。これにより、その画像光ＩＬが投射されなかった点の色が、黒色として認識されるようになり、光学系を小型化することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、外光を入射させつつ画像情報に基づく画像光を観察者の網膜に投射することにより、外光による実像とその画像光による虚像とを同時に観察者に視認させる画像表示装置に関する。

従来より、外光を透過させつつ画像情報に基づく画像光を観察者の網膜に投射することにより、外光による実像とその画像光による虚像とを同時に観察者に視認させるヘッドマウント方式の画像表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図７には、この種の画像表示装置の光学系の従来の概略的な構成が、模式的に示されている。この画像表示装置１００’は、観察者の頭部に装着されて使用されるものであり、図７は、その状態を上側（＋Ｚ側）から見たときの図となっている。

図７に示されるように、画像表示装置１００’は、不図示の装着機構によって観察者の頭部に装着された筐体５１と、その筐体５１内に格納された表示用光束射出部５０’と、その一部が筐体５１から露出する投射光学系６０’とを備えている。筐体５１が観察者の頭部に装着された状態で、表示用光束射出部５０’は、観察者の右側（＋Ｘ側）の側頭部に配置され、投射光学系６０’は、観察者の右眼ＲＥの前方（＋Ｙ側）に配置される。

表示用光束射出部５０’は、画像光走査部３０を備えている。画像光走査部３０は、画像情報に基づく画像光ＩＬを発生させる。画像光走査部３０から発せられた画像光ＩＬは、ＹＺ平面内で２次元方向に走査されながら、リレーレンズ（９０’，９１’）を経由して、投射光学系６０’へ向けて射出される。

投射光学系６０’は、表示用光束射出部５０’の−Ｘ側に設けられており、リレーレンズ（９０’，９１’）と、ハーフミラー９３’とを備えている。このうち、筐体５１内に設けられたリレーレンズ（９０’，９１’）は、表示用光束射出部５０’の画像光走査部３０から射出された画像光ＩＬを入射する。ハーフミラー９３’は、入射された画像光ＩＬを、−Ｙ方向に反射する。これにより、ハーフミラー９３’で反射された画像光ＩＬは、観察者の右眼ＲＥの瞳孔を通過して、その網膜Ｆに達する。この結果、観察者の右眼ＲＥの網膜Ｆ上に、画像光ＩＬによる像が結像するようになる。

投射光学系６０’のうち、筐体５１に収納されていない部分は、透明な部材で構成されている。観察者は、投射光学系６０’を介して、＋Ｙ側の外景（すなわち＋Ｙ側から−Ｙ方向に入射する外光による実像）を見ることができるようになっている。

以上述べたように、画像表示装置１００’は、外光を透過させつつ、画像情報に基づく画像光を観察者の網膜Ｆに投射することにより、外光による実像とその画像光による虚像とを同時に観察者に視認させる画像表示装置となっている。
特開２００４−１９１９６２号公報

しかしながら、画像表示装置が、図７に示されるように、点状の画像光を網膜上で２次元走査することにより網膜上に画像を結像させて画像光による虚像を観察者に視認させるタイプの画像表示装置である場合には、その投射光学系が完全にシースルーであると、黒色を表現することができなかった。また、投射光学系が完全にシースルーであると、その投射光学系を透過する外光が屈折してその外光による実像が歪曲することから、観察者の瞳と実像との間にリレーレンズを配置することができないので、リレーレンズをある程度大きくせざるをえず、光学系の小型化が困難となっていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、黒色を表現することができる網膜走査型の画像表示装置を提供することと、光学系の小型化とを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の画像表示装置は、外光を入射させつつ画像情報に基づく画像光を観察者の網膜に投射することにより、外光による実像と前記画像光による虚像とを同時に観察者に視認させる画像表示装置において、前記画像光が入射される第１のレンズと、前記画像光が射出される第２のレンズを有し、前記画像光を観察者の網膜に導くリレー光学系と、前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に配置され、前記第１のレンズを経由して入射された画像光を全反射して、前記第２のレンズに射出する反射ミラーと、を備え、前記第２のレンズを、その光軸が前記観察者の瞳孔と交差するように配置し、前記反射ミラーを、その反射面が前記第２のレンズの光軸と交差するように配置することを特徴とする画像表示装置である。

また、請求項２に記載の画像表示装置は、請求項１に記載の画像表示装置において、前記第２のレンズ及び前記反射ミラーが、前記観察者の視野内において透明な部材で支持されていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の画像表示装置は、請求項２に記載の画像表示装置において、前記観察者の頭部に装着される筐体と、前記第２のレンズと前記反射ミラーとを前記観察者の眼前に対して配置及び退避可能に、前記透明な部材と前記筐体とを連結する連結機構と、をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項４に記載の画像表示装置では、請求項１〜３のいずれか一項に記載の画像表示装置において、前記反射ミラーの反射面への前記画像光の入射領域が、その反射面全面と一致し、前記第２のレンズへの前記画像光の入射領域が、その第２のレンズの入射面全面と一致していることを特徴とする。

また、請求項５に記載の画像表示装置では、請求項１〜４のいずれか一項に記載の画像表示装置において、前記第２のレンズは、前記第１のレンズから入射される前記画像光の光束を横切らず、かつ、前記反射ミラーに近接した位置に配置されていることを特徴とする。

また、請求項６に記載の画像表示装置では、前記第２のレンズは、その焦点の位置が、前記観察者の瞳孔の位置とほぼ一致するように配置されていることを特徴とする。

また、請求項７に記載の画像表示装置では、請求項１〜６のいずれか一項に記載の画像表示装置において、前記観察者の網膜上に前記画像光を２次元走査することにより、前記虚像を前記観察者に視認させる走査光学系をさらに備えることを特徴とする。

請求項１に記載の画像表示装置によれば、画像光を観察者の眼の方向に反射させる反射ミラーとして、ハーフミラーではなく、画像光を全反射する反射ミラーを採用したので、網膜走査型であっても、画像光の２次元走査中に、一部の画像光を観察者の網膜に投射させないようにすれば、その画像光が投射されなかった点の色は、観察者に黒色として認識されるようになる。すなわち、本発明によれば、網膜走査型の画像表示装置においても、黒色を表現することが可能となる。また、第２のレンズと反射ミラーとを、観察者の眼前に配置したので、それら光学系の小型化が可能となる。

また、請求項２に記載の画像表示装置によれば、第２のレンズ及び反射ミラーが透明な部材で支持されているので、その部材により、観察者の視界が遮られるのを防止することができる。

また、請求項３に記載の画像表示装置によれば、第２のレンズと反射ミラーとを、観察者の眼前に対して配置及び退避することができるので、虚像を見る場合には、第２のレンズと反射ミラーとを観察者の眼前に配置するが、虚像を見る必要がない場合には、第２のレンズと反射ミラーとを退避させる。これにより、第２のレンズ及び反射ミラーが、観察者の眼への外光の入射を妨げることのないようにすることができる。

また、請求項４に記載の画像表示装置によれば、観察者から見たときの虚像が表示されうる有効視野領域と、観察者の眼前に一列に並ぶ反射ミラーや第２のレンズが視認される領域とが一致するようになるので、虚像が表示される領域以外の有効視野領域を、実像が表示される領域とすることができる。このため、実像が表示される領域を、可能な限り広げることができるようになる。また、画像光による虚像と、外光による実像とのいずれも表示されない領域を観察者の視野内からなくすことができるので、虚像と実像とを、自然な状態で表示することができる。

また、請求項５に記載の画像表示装置によれば、第２のレンズが画像光を横切らないので、すべての画像光が観察者の網膜に到達するようになるため、視認される虚像の一部欠損を防止することができる。また、第２のレンズと反射ミラーとが近接して配置されているので、装置の小型化が可能となる。

また、請求項６に記載の画像表示装置によれば、第２のレンズを経由した光を、観察者の網膜に正確に導いて、その光による像を網膜上に結像させることが可能となる。

また、請求項７に記載の画像表示装置によれば、その走査光学系の小型化が可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係る画像表示装置１００の概略構成が示されている。画像表示装置１００は、観察者Ｐの頭部に装着されて使用されるものである。

図１に示されるように、画像表示装置１００は、表示用光束射出部５０と、筐体５１と、投射光学系６０とを備えている。表示用光束射出部５０及び投射光学系６０の一部は、透明でない筐体５１に格納されている。不図示の装着機構によって観察者の頭部に装着された筐体５１は、観察者Ｐの右側（＋Ｘ側）の側頭部に配置されている。また、図１の状態で、投射光学系６０において、筐体５１に収納されていない部分は、観察者Ｐの右眼ＲＥの前方（＋Ｙ側）に配置されている。

投射光学系６０は、支持部材１０、１１と、反射ミラーＭと、リレーレンズを構成する第１のレンズ９０、第２のレンズ９１を備えている。第１のレンズ９０は、筐体５１における画像光の射出端に配置されている。反射ミラーＭ及び第２のレンズ９１の形状は、観察者Ｐから見た場合（Ｙ軸方向から見た場合）、ともに矩形状となっている。反射ミラーＭ、第２のレンズ９１は、筐体５１内から延びている支持部材１０、１１によって固定支持されている。

支持部材１０、１１は、ガラスやアクリル等で形成された透明の部材である。支持部材１０、１１は、観察者Ｐの眼前に配置されているが、それらは透明であり、外光を屈折させることなくそのまま透過させる。支持部材１０、１１各々の大きさは、観察者Ｐがその存在を気にすることがない程度となっている。なお、支持部材１０、１１と、反射ミラーＭと、第２のレンズ９１とは、一体物として樹脂成型されるものであってもよい。

筐体５１内に格納された表示用光束射出部５０は、画像情報に基づく画像光を、投射光学系６０に向けて−Ｘ方向に射出する。投射光学系６０を構成する第１のレンズ９０を経由して反射ミラーＭに入射する。反射ミラーＭは、入射した光を全反射するミラーである。その反射面は、ＸＹ平面内で＋Ｙ方向を１２時方向とすると、４時半の方向を向いている。反射ミラーＭは、表示用光束射出部５０から射出され−Ｘ方向に進む画像光を、第２のレンズ９１に向けて（すなわち−Ｙ方向に）全反射する。

第２のレンズ９１は、凸レンズであり、＋Ｙ側から入射された平行光束群（２次元走査される画像光ＩＬを、複数の光束群として見なしたときの光束群）を、収束させる。第２のレンズ９１の主点から観察者Ｐの瞳孔までの距離は、第２のレンズ９１の焦点距離と同じとなっている。すなわち、第２のレンズ９１は、その焦点の位置が、観察者の瞳孔の位置とほぼ一致するように配置されている。このようにすれば、第２のレンズ９１を経由した平行な光束群を、観察者Ｐの網膜Ｆに収束させ、その光束群を、確実に、その網膜Ｆまで導くことが容易となる。

反射ミラーＭ及び第２のレンズ９１の大きさは、観察者Ｐから見て、その視野よりも小さくなるような大きさとなっている。これにより、観察者Ｐは、図１に示される状態で、反射ミラーＭ及び第２のレンズ９１の向こう側の光景（＋Ｙ方向の外景）も見えるようになる。

表示用光束射出部５０から射出され、反射ミラーＭにより反射されて−Ｙ方向に折り曲げられた画像光は、第２のレンズ９１に入射して屈折した後、観察者Ｐの右眼ＲＥの瞳孔に入射し、その網膜に到達する。なお、画像光が射出されていない状況では、反射ミラーＭの反射面は、観察者に黒色の面として視認されるようになっている（反射ミラーＭの反射面には、筐体５１で覆われた表示用光束射出部５０の表示用光束射出口が映っているため、黒く見える）。

図２には、画像表示装置１００の光学系の構成が概略的に示されている。図２に示されるように、表示用光束射出部５０は、走査光学系としての画像光走査部４０を備えている。

画像光走査部４０は、画像情報に基づく画像光ＩＬを、ポリゴンミラーや、ガルバノミラーなどの光学系（いずれも不図示）を用いて垂直方向及び水平方向に２次元走査しつつ射出する。ここで、垂直方向とは、画像光ＩＬの走査線の並び方向をいい、水平方向とは、走査線の方向をいう。図２では、画像光ＩＬの走査範囲の端部が、２点鎖線で示されている。画像光ＩＬは、この２点鎖線で挟まれる空間の範囲内を２次元走査される。なお、本実施形態に係る画像表示装置１００は、観察者Ｐに視認させる虚像をカラー画像とする。画像光走査部４０から射出される画像光ＩＬは、例えば、赤色レーザ、緑色レーザ、青色レーザの合成光であり、画像情報の各色のレーザ光に対応する色成分に応じた強度の各色のレーザ光が合成された、指向性のあるレーザ光となっている。例えば、９０％白色を表現したい場合、画像光走査部４０は、３色のレーザ光の強度をそれぞれ９０％にした上で合波し、画像光ＩＬとして出力する。

２次元走査されつつ画像光走査部４０から射出された画像光ＩＬは、リレー光学系としてのリレーレンズを構成する第１のレンズ９０に入射する。第１のレンズ９０は、画像光走査部４０で２次元走査された画像光ＩＬを入射して屈折させる。ここで、２次元走査される画像光ＩＬを、複数の画像光（走査光束）ＩＬから成る走査光束群であるとみなすと、この走査光束群の各光束中心線は、画像光走査部４０の走査中心点４５から放射状に拡がって射出されるようになる。また、走査中心点４５は、第１のレンズ９０から焦点距離の位置にあり、第１のレンズ９０を経由した走査光束群の各光束中心線は、互いに平行となる。すなわち、第１のレンズ９０は、走査光束群を平行化する。第１のレンズ９０から射出された画像光ＩＬは、投射光学系６０に向けて射出される。

投射光学系６０内における画像光ＩＬの光路は、前述したとおりである。なお、この光学系では、第１のレンズ９０と、第２のレンズ９１とで構成されるリレーレンズにより、画像光ＩＬの２次元走査によって形成される虚像（瞳像）が伝播される。このリレーレンズの瞳面（中間像面）は、観察者Ｐの右眼ＲＥの網膜Ｆと共役関係にあるため、網膜Ｆ上にその像が結像し、観察者Ｐが、その虚像を視認することができるようになる。

本実施形態に係る画像表示装置１００では、リレーレンズのうちの第２のレンズ９１の光軸ＡＸが、観察者Ｐの瞳孔と交差するように配置されている。すなわち、本実施形態では、観察者Ｐの眼に最も近い第２のレンズ９１を、観察者Ｐの眼前に配置された接眼レンズとしている。このようにすれば、例えば、第２のレンズ９１の大きさを、観察者Ｐの視野外に配置する場合に比べて、小さくすることができる。

また、本実施形態では、反射ミラーＭの反射面は、第２のレンズ９１の光軸ＡＸと交差するように配置されている。すなわち、反射ミラーＭと、第２のレンズ９１とは、観察者Ｐから見て、一列で並んでいるように見える。

このような構成を有する画像表示装置１００を装着すれば、観察者Ｐは、画像光ＩＬによる虚像と、＋Ｙ方向から入射する外光による実像とを同時に視認することができる。図３には、観察者Ｐの視野内の実像と虚像との一例が示されている。図３に示されるように、観察者Ｐの視野ＦＡは、虚像が表示される有効視野領域（以下、「虚像の表示領域」と略述する）ＩＡと、実像が表示される有効視野領域（以下、「実像の表示領域」と略述する）ＲＡとに分割されている。図３では、虚像の表示領域ＩＡは、観察者Ｐの視野ＦＡの略中央に位置しており、虚像の表示領域ＩＡの周囲が実像の表示領域ＲＡとなっている。なお、本発明は、この配置には限られず、例えば、虚像の表示領域を、視野の周縁部に配置するようにしてもよい。

実像の表示領域ＲＡには、＋Ｙ方向の光景（外景）として、草木の生えた大地と、幾つかの雲が浮かんだ空が広がっている。また、虚像の表示領域ＩＡでは、＋Ｙ方向の景色と同じような景色である、草木の生えた大地と、雲が浮かんだ空とが表示されているが、虚像の表示領域ＩＡの略中心部には、パンダが表示されている。この虚像の表示領域ＩＡに表示された画像は、実際には＋Ｙ方向には存在しないものの像であり、画像光ＩＬの光束すべてが網膜Ｆ上に結像することによって視認される虚像である。

虚像の表示領域ＩＡに表示されているパンダは、その四股の部分、背中、眼、耳などが黒色で表現されている。図４には、本実施形態に係る画像表示装置１００における黒色の表現方法が模式的に示されている。図４では、反射ミラーＭ上における、画像光ＩＬの走査によるその入射位置の軌跡ＳＬが示されており、その軌跡ＳＬ上の代表的な３点Ａ、Ｂ、Ｃが示されている。

前述のとおり、画像光ＩＬは、Ｒ，Ｇ、Ｂの３色のレーザ光が合成されたものであり、この３色のレーザ光の混色の具合で、黒色を除くすべての色の画像光ＩＬを作り出している。例えば、表示すべき画像における、点Ａに対応する画素の色が白色である場合には、白色の画像光ＩＬが、反射ミラーＭ上の点Ａに照射されることになる。このようにすれば、点Ａで反射した画像光ＩＬが観察者Ｐの網膜Ｆに到達した場合に、観察者Ｐの右眼ＲＥには、点Ａが白色の点であるものとして認識されるようになる。

次に、画像光ＩＬの入射位置が、軌跡ＳＬ上を進み、点Ｂに到達したとする。そして、表示すべき画像における、点Ｂに対応する画素の色が黒色であったとする。この場合、画像光走査部４０は、画像光ＩＬの射出を停止する。このようにすれば、点Ｂに対応する網膜Ｆ上の点には、画像光ＩＬが入射されず、点Ｂは、黒色の点として認識されるようになる。

さらに、画像光ＩＬの入射位置が、軌跡ＳＬ上を進み、点Ｃに到達したとする。そして、表示すべき画像における、点Ｃに対応する画素の色が黒色以外の色であったとする。この場合、画像光走査部４０は、その色の画像光ＩＬを、点Ｃに照射することになる。このようにすれば、点Ｃで反射した画像光ＩＬが観察者Ｐの網膜Ｆに到達した場合、点Ｃは、その色の点として観察者Ｐに認識されるようになる。

すなわち、この画像表示装置１００において、黒色を表現する場合には、画像光ＩＬの２次元走査中に、画像光ＩＬの射出を停止すれば、停止中の走査線の軌跡に相当する点は、黒色として認識されるようになる。

本実施形態では、前述のように、反射ミラーＭと、第２のレンズ９１とが、観察者Ｐの眼前に一列に並んでいる。そして、反射ミラーＭの反射面への画像光ＩＬの入射領域の位置及び大きさが、その反射面の位置及び大きさとほぼ一致し、第２のレンズ９１への画像光ＩＬの入射領域の位置及び大きさが、第２のレンズ９１の入射面の位置及び大きさと一致している。すなわち、反射ミラーＭの反射面全面に画像光ＩＬが入射され、第２のレンズ９１の入射面全面に画像光ＩＬが入射されるようになる。これにより、図３に示される虚像の表示領域ＩＡは、観察者Ｐから見た、反射ミラーＭと第２のレンズ９１とが完全に重なるようになる。

以上のような構成となっているので、本実施形態に係る画像表示装置１００では、＋Ｙ方向から入射する外光は、反射ミラーＭと、第２のレンズ９１等に干渉されずに、観察者Ｐの右眼ＲＥに入射する。このため、外光による実像は、ボケることなく、自然な状態で、網膜Ｆ上に結像するようになる。

また、このようにすれば、虚像の表示領域ＩＡ以外の有効視野領域を、実像の表示領域ＲＡとすることができる。このため、実像の表示領域ＲＡを、可能な限り広げることができるようになる。また、画像光ＩＬによる虚像と、外光による実像とのいずれも表示されない領域を観察者Ｐの視野ＦＡ内からなくすことができるので、虚像と実像とを、自然な状態で表示することができるようになる。

例えば、図３では、虚像の表示領域ＩＡには、パンダの他に、＋Ｙ方向の外景と同じような景色の像が表示されている。外光を遮る反射ミラーＭや、外光を屈折させる第２のレンズ９１は、虚像の表示領域ＩＡからはみ出していないため、例えば、虚像の表示領域ＩＡにおける地平線と、実際の地平線などを、実像と虚像とを違和感なくつなげて表示させることも可能となる。すなわち、本実施形態によれば、虚像を実像に自然な状態で溶け込ませることができるようになる。

さらに、本実施形態では、第２のレンズ９１は、第１のレンズ９０から入射する画像光ＩＬの光束を横切らず、かつ、反射ミラーＭに近接した位置に配置されている。仮に、第１のレンズ９０から反射ミラーＭに導かれる画像光ＩＬの一部が、第２のレンズ９１に入射してしまうと、その画像光ＩＬの一部は屈折し、観察者Ｐの眼に到達しなくなる場合もあり、この場合には、視認されるべき虚像が一部欠損するおそれがある。したがって、第２のレンズ９１は、第１のレンズ９０から入射する画像光ＩＬの光束を横切らない位置に配置されている。また、反射ミラーＭと、第２のレンズ９１との間をできる限り近づけるようにすれば、投射光学系６０のＹ軸方向の幅を短くすることができるようになる。なお、本実施形態では、反射ミラーＭと、第２のレンズ９１とをできるだけ近づけるため、第２のレンズ９１の反射ミラーＭ側の面（入射面）を平面としている。

ところで、本実施形態に係る画像表示装置１００の投射光学系６０は、筐体５１内に収納可能となっている。図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示されるように、投射光学系６０を支持する支持部材１０、１１は、筐体５１内に設けられた連結機構としてのスライダ機構２０に連結されており、Ｘ軸方向にスライド可能となっている。図５（Ａ）に示される状態では、投射光学系６０は、−Ｘ方向に引き出されて、観察者Ｐの右眼の眼前に配置（挿入）された状態となっており、観察者Ｐはこの状態で、画像光ＩＬによる虚像を視認することができるようになる。また、虚像を見る必要がない場合には、外光による実像を見るための妨げとならないように、図５（Ｂ）に示されるように、投射光学系６０を＋Ｘ方向にスライドさせて退避させ、筐体５１内に収納しておくことができる。

なお、第１のレンズ９０についても、支持部材１０，１１によって支持するようにして、反射ミラーＭと第２のレンズ９１とともに、スライドさせるようにしてもよい。このようにすれば、反射ミラーＭ及び第２のレンズ９１を筐体５１内部に収納する際に、それらと第１のレンズ９０との干渉を防ぐことができるとともに、第１のレンズ９０と第２のレンズ９１との間の位置関係を固定とし、それらの間における画像光ＩＬによる像の伝播状態を一定に保つことができるようになる。なお、反射ミラーＭ及び第２のレンズ９１を筐体５１内部に収納する際に、第１のレンズ９０が、それらと干渉しないように退避するようになっていてもよい。

また、このスライダ機構２０により、観察者Ｐの眼と、投射光学系６０との位置関係の微調整を行えるようにすることもできる。このようにすれば、第２のレンズ９１及び反射ミラーＭの位置を、観察者Ｐの眼前に合わせるのが容易となる。なお、このような微調整を可能とした場合には、第１のレンズ９０についても、支持部材１０、１１に支持するようにしてもよい。また、図示していないが、第２のレンズ９１の光軸方向にも位置関係が微調整できるよう、投射光学系６０等が移動する構成としてもよい。

以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、画像情報に基づく画像光ＩＬを観察者Ｐの網膜Ｆに導くリレーレンズを構成する第２のレンズ９１を、その光軸ＡＸが観察者Ｐの瞳孔と交差するように配置し、反射ミラーＭを、その反射面が第２のレンズ９１の光軸ＡＸと交差するように配置する。

本実施形態によれば、画像光ＩＬを観察者Ｐの眼の方向に反射させる反射ミラーとして、ハーフミラーではなく、画像光ＩＬを全反射する反射ミラーＭを採用しているので、網膜走査型の画像表示装置であっても、画像光ＩＬの２次元走査中に、一部の画像光ＩＬを観察者Ｐの網膜に投射させないようにすれば、その画像光ＩＬが投射されなかった点の色は、黒色として認識されるようになる。すなわち、このようにすれば、網膜走査型の画像表示装置においても、黒色を表現することが可能となる。

また、リレーレンズを構成する第２のレンズ９１を観察者Ｐの眼前に配置すると、第２のレンズ９１と観察者Ｐの右眼ＲＥとの距離を短くすることができるようになるため、第２のレンズ９１を小さくすることができるようになる。この結果、光学系を小型化、軽量化することができるようになる。

また、画像光ＩＬを観察者Ｐの右眼ＲＥの方向に反射させる反射ミラーとして、ハーフミラーではなく、画像光ＩＬを全反射する反射ミラーＭを採用したので、反射ミラーＭによって外光が遮光されて観察者Ｐの眼前にある第２のレンズ９１に入射しなくなるため、外光の屈折等による実像のボケが防止される。

また、本実施形態によれば、第２のレンズ９１及び反射ミラーＭが透明な部材で支持されているので、その支持部材１０、１１により、観察者の視界が遮られるのを防止することができる。

また、本実施形態によれば、観察者Ｐから見たときの虚像が表示される有効表示視野領域と、観察者Ｐの眼前に一列に並ぶ反射ミラーＭや第２のレンズ９１が視認される領域とが一致するようになるので、虚像の表示領域ＩＡ以外の有効視野領域である視野ＦＡを、実像の表示領域ＲＡとすることができるようになる。このため、実像の表示領域ＲＡを、可能な限り広げることができるようになる。また、画像光ＩＬによる虚像と、外光による実像とのいずれも表示されない領域を観察者Ｐの視野ＦＡ内からなくすことができるので、虚像と実像とを、自然な状態で表示することができるようになる。

なお、反射ミラーＭの周囲からの外光の回り込みが、無視できない場合には、反射ミラーＭの大きさを、第２のレンズ９１よりもやや大きくするようにしてもよい。

また、本実施形態によれば、第２のレンズ９１が反射ミラーＭに入射する画像光ＩＬを横切らないので、すべての画像光ＩＬが観察者Ｐの網膜Ｆに到達するようになる。このため、虚像の一部がゆがんだり、視認されなくなるなどの不都合を防止することができる。また、第２のレンズ９１と反射ミラーＭとが近接して配置されるので、装置の小型化を実現することができる。また、反射ミラーＭの周囲から回り込んだ外光が第２のレンズ９１に入射するのを防ぐこともできる。

また、本実施形態に係る画像表示装置１００は、網膜走査型の画像表示装置であったが、本発明は、液晶型の画像表示装置にも適用することが可能である。図６には、液晶型の画像表示装置１０１の光学系の構成が概略的に示されている。図６に示されるように、液晶表示型の画像表示装置１０１では、画像光走査部４０の代わりに、光源部４１を備えており、光源部４１とリレーレンズ９０との間に、カラー液晶パネルＬＣＤが設けられている点が、上記実施形態の画像表示装置１００と異なっている。光源部４１は、照明光ＩＬを−Ｘ方向に射出している。放射状に射出された照明光ＩＬは、カラー液晶パネルＬＣＤを通過後、第１のレンズ９０に入射する。液晶パネルＬＣＤの各画素は、表示されるべき画像に応じて各色の透過率が変更されており、液晶パネルＬＣＤを透過した光は、画像情報に基づく画像光ＩＬとなる。液晶パネルＬＣＤを通過した画像光ＩＬは、図２の画像表示装置１００と同様にして、第１のレンズ９０→反射ミラーＭ→第２のレンズ９１を経由した後、観察者Ｐの網膜Ｆまで導かれ、網膜Ｆ上に液晶パネルＬＣＤに表示された画像が結像し、その画像が視認されるようになる。

なお、本実施形態では、リレーレンズを構成する第１のレンズ９０と、第２のレンズ９１とを、ともに、１枚のレンズで構成されるものとしたが、本発明はこれには限られない。実際には、第１のレンズ９０、第２のレンズ９１は、ともに、複数枚のレンズから構成されるレンズ群（例えば接合レンズ）であってもよい。また、第１のレンズ９０と第２のレンズ９１との間にさらに瞳を伝播する第３のレンズ（レンズ群であってもよい）を有していてもよいのは勿論である。

また、第１のレンズ９０より上流側の構成についても適宜変更が可能であり、例えば、画像光走査部４０と第１のレンズ９０との間に走査範囲の拡大や焦点位置調整のための位置調整可能な凹レンズを設けてもよい。また、図６に示す例では、液晶パネルＬＣＤと光源部４１との間に集光用凸レンズを設けて平行光束化し、液晶パネルＬＣＤと第１のレンズ９０との間に液晶パネルＬＣＤから出射される平行光束を拡散するよう凹レンズを設けるようにしてもよい。すなわち、本発明は、第１のレンズ９０より上流側の構成に依存するものでなく、様々な形態での実施が可能なものである。

その他、表示用光束射出部５０内の光学系の構成は、適宜設計変更が可能である。

また、上記実施形態では、虚像の表示領域、反射ミラーＭ及び第２のレンズ９１の形状を矩形としたが、これらは、円形や他の形状であってもよい。さらに、反射ミラーＭ及び第２のレンズ９１を支持する機構は、上記実施形態のものには限られない。この支持機構としては、例えば、図７の投射光学系６０’と同じような形状のものを用いることも可能である。このような支持機構は、観察者Ｐの視界を可能な限り妨げないようなものを採用するのが望ましい。

また、上記実施形態の画像表示装置１００は、右眼用であったが、左眼用、左右兼用、両眼用であってもよいのは勿論である。

以上述べたように、本発明の画像表示装置は、虚像と実像とを同時に観察者に視認させるのに適している。

本発明の一実施形態に係る画像表示装置１００の概略構成を示す斜視図である。 図１の画像表示装置の光学系の概略構成を示す図である。 実像と虚像との一例である。 黒色の表現方法を説明するための模式図である。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、投射光学系の出し入れの様子を示す図である。 液晶型の画像表示装置の光学系の概略構成を示す図である。 従来の画像表示装置の光学系の構成を示す図である。

符号の説明

１０、１１ 支持部材
２０ スライダ機構
３０、４０ 画像光走査部
４１ 光源部
５０、５０’ 表示用光束射出部
５１ 筐体
６０、６０’ 投射光学系
９０、９０’ 第１のレンズ
９１、９１’ 第２のレンズ
９３’ ハーフミラー
１００、１００’、１０１ 画像表示装置
ＡＸ 光軸
Ｆ 網膜
ＦＡ 視野
ＩＡ 虚像の表示領域
ＩＬ 画像光
ＬＣＤ カラー液晶パネル
Ｍ 反射ミラー
Ｐ 観察者
ＲＡ 実像の表示領域
ＲＥ 右眼
ＳＬ 軌跡

Claims (7)

1. 外光を入射させつつ画像情報に基づく画像光を観察者の網膜に投射することにより、外光による実像と前記画像光による虚像とを同時に観察者に視認させる画像表示装置において、
   前記画像光が入射される第１のレンズと、前記画像光が射出される第２のレンズを有し、前記画像光を観察者の網膜に導くリレー光学系と、
   前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に配置され、前記第１のレンズを経由して入射された画像光を全反射して、前記第２のレンズに射出する反射ミラーと、を備え、
   前記第２のレンズを、その光軸が前記観察者の瞳孔と交差するように配置し、前記反射ミラーを、その反射面が前記第２のレンズの光軸と交差するように配置することを特徴とする画像表示装置。
2. 前記第２のレンズ及び前記反射ミラーが、前記観察者の視野内において透明な部材で支持されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記観察者の頭部に装着される筐体と、
   前記第２のレンズと前記反射ミラーとを前記観察者の眼前に対して配置及び退避可能に、前記透明な部材と前記筐体とを連結する連結機構と、をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記反射ミラーの反射面への前記画像光の入射領域が、その反射面全面と一致し、
   前記第２のレンズへの前記画像光の入射領域が、その第２のレンズの入射面全面と一致していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の画像表示装置。
5. 前記第２のレンズは、
   前記第１のレンズから入射される前記画像光の光束を横切らず、かつ、前記反射ミラーに近接した位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
6. 前記第２のレンズは、
   その焦点の位置が、前記観察者の瞳孔の位置とほぼ一致するように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の画像表示装置。
7. 前記観察者の網膜上に前記画像光を２次元走査することにより、前記虚像を前記観察者に視認させる走査光学系をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の画像表示装置。
   

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