JP2009282085A - 光学装置およびこれを備えた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】観察者の眼の網膜の高解像度の撮像画像を得ることができ、この撮像画像の情報を元に観察者に高精細の高速で動く画像に対応することができる光学装置およびこれを備えた画像表示装置を提供する。
【解決手段】レーザ光源１１と、出射されたレーザ光１２を走査する走査部１３と、この走査部１３から出射される走査光１４を観察者の瞳１５に偏向して導く光偏向部１６とからなる走査光学部１７と、網膜１８ａからの戻り光１８ｂを受光する受光光学部１９と、その出力信号により走査光学部１７を制御する制御部２０とを備え、この受光光学部１９は、戻り光１８ｂの直交する２つの偏光成分を分離して少なくともいずれかの偏光成分の光量を検出することにより、制御部２０が網膜１８ａのそれぞれの位置での光学情報を得て、この光学情報に基づき観察者の眼１８の網膜１８ａにレーザ光１２を照射している。
【選択図】図１

Description

本発明は、眼の網膜の光学的な特性を詳細に測定できる光学装置と、この光学装置を備えて人が眼で鮮明な画像を観察することができるＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）などの画像表示装置に関する。

ヘッドマウントディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」とする）などに用いる画像表示装置は、個人用携帯ディスプレイ端末のうちのひとつの画像表示装置であり、そのウェアラブル性の観点から眼鏡形態などによる構造が一般的に適用されている。このようなＨＭＤなどの画像表示装置には、例えば眼鏡形態のレンズに相当する部分をスクリーンなどに仮定して、その部分にレーザ光を２次元的に走査して、観察者の眼の網膜に直接描画して画像表示を行っているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。ここでは、スクリーンに相当する瞳伝送レンズに裏面反射鏡または表面反射鏡からなる反射鏡を用い、これらをフレネルレンズなどで構成することにより光学系全体の厚さを抑えてより小型軽量にしてウェアラブル性に富む構造としている。

ところで、このようなレーザ走査方式のＨＭＤにおいては、レーザ光源やレーザ走査部を眼前ではなく側頭部に配置した場合、または画角を広くして大画面表示とした場合に、レーザ光源からスクリーンを介して網膜へと至る光路は、各画素により空間的に異なっている。すなわち、光路に配置したミラーなどの偏光手段でのビームの入射角、反射角、波面形状およびスポットサイズが、各画素により大きく異なってくる。したがって、レーザ光源から一定の波面形状およびスポットサイズのビームを出力しても、観察者である人の眼に到達するビームの波面形状およびスポットサイズなどの特性は、画面内の画素によって異なる。その結果、各画素サイズにばらつきが生じる、または画素サイズが許容範囲を超えるなどの課題が生じていた。

このような課題を解決するために、レーザ走査方式の画像表示装置に含まれる観察者の眼の方に走査されるレーザ光を偏向する光学手段において、この光学手段の位置を変化させることに対応してレーザ光の波面曲率を目標値となるように補正する曲率補正手段を有する画像表示装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。このことにより、レーザ光が照射される光学手段の照射位置によりレーザ光の波面曲率などの光学特性が変化する度合いが異なるにもかかわらず、光学特性が補正されて観察者に正確な画像を認識させることが容易となるとしている。

一方、レーザ光を装置の観察者、すなわち被検眼者の眼底の網膜に２次元的に走査して、その戻り光を受光して眼の波面収差を検出する波面検出部と、この検出結果に基づいて波面収差を補償する波面補償部とを有する眼科撮像装置が示されている（例えば、特許文献３参照）。戻り光の波面収差による撮像画像の画質低下を防止するために、波面収差を補償して解像度の高い撮像画像を得ることができるとしている。
特開２０００−２２１４４１号公報 特開２００４−１９１９４６号公報 特開２００７−１４５６９号公報

しかしながら、上記で説明した従来技術においては、光学特性が補正されて観察者に正確な画像を認識させることはできるものの光学特性を調整する処理が複雑であり、高精細の高速で動く画像に対応することが難しいという課題があった。

また、この課題とも関係するが、戻り光の波面収差の補償や波面曲率の補正を行っても、レーザ光が眼の網膜で反射するときにその一部が散乱光となって眼の網膜の光学特性を示す戻り光のＳ／Ｎ比を低下させる。その結果、戻り光による解像度の高い網膜の撮像画像を得ることができず、また、この撮像画像の情報をフィードバックして観察者の眼に高精細の映像を投影できないという課題を生じていた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、観察者の眼の網膜の高解像度の撮像画像を得ることができ、この撮像画像の情報を元に観察者に高精細の高速で動く画像に対応することができ、これらの処理も簡単な光学装置およびこれを備えた画像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の光学装置は、レーザ光源と、このレーザ光源から出射されたレーザ光を走査する走査部と、この走査部から出射される走査光を観察者の瞳に偏向して導く光偏向部とからなる走査光学部と、上記観察者の眼の網膜からの戻り光を受光する受光光学部と、この受光光学部からの出力信号により上記走査光学部を制御する制御部とを備えた光学装置であって、上記受光光学部は、上記戻り光の直交する２つの偏光成分を分離する偏光分離部を有し、上記２つの偏光成分のうち少なくともいずれかの偏光成分の光量を検出することにより、上記制御部が上記網膜のそれぞれの位置での光学情報を得て、この光学情報に基づき上記観察者の眼の網膜に上記レーザ光を照射している構成からなる。

このような構成とすることにより、散乱光の影響を受けることが少ない状態で網膜の光学特性を反映した戻り光を高いＳ／Ｎ比で検出することができる。したがって、解像度の高い網膜の撮像画像を得ることができる。

また、光偏向部は、基板とこの基板上の少なくとも一部に形成されたホログラムミラーとからなる構成としてもよい。

このような構成とすることにより、小型で軽量な光学系を簡単に構成することができ装置を小型、軽量および薄型化することができる。

また、受光光学部は、２つの偏光成分のうち走査光と同じ偏光成分の光量を検出する構成としてもよい。

このような構成とすることにより、散乱光の影響を受けることが少ない状態で網膜の光学特性を反映した戻り光を高いＳ／Ｎ比で検出することができる。したがって、解像度の高い網膜の撮像画像を得ることができる。

また、受光光学部は、２つの偏光成分のうち走査光と直交する偏光成分の光量を検出する構成としてもよい。

このような構成とすることにより、網膜の視野中心部ではなく視野周辺部において網膜からの戻り光が瞳を通過しないときに散乱光をＳ／Ｎ比よく検出することができる。したがって、散乱光の検出信号が正確に得られることから解像度の高い網膜の撮像画像を得ることができる。

また、受光光学部は、網膜の中心部からの戻り光の２つの偏光成分のうち走査光と同じ偏光成分の光量を検出し、網膜の周辺部からの戻り光の２つの偏光成分のうち走査光と直交する偏光成分の光量を検出する構成としてもよい。

このような構成とすることにより、網膜の中心部および周辺部の光学特性を反映した戻り光を高いＳ／Ｎ比で検出することができる。したがって、解像度の高い網膜の撮像画像を得ることができる。

また、戻り光のうち走査光と同じ偏光成分の光量と観察者の眼の中心軸に対する走査光の走査角との時間変化情報をもとに観察者の視線を検出する構成としてもよい。

このような構成とすることにより、観察者の視線に対応した網膜上の正しい位置の像を取得することができるので、解像度の高い網膜の撮像画像を得ることができる。

また、レーザ光源は、少なくとも赤色レーザ光源、緑色レーザ光源および青色レーザ光源からなるＲＧＢ光源である構成としてもよい。

このような構成とすることにより、色再現性がよく小型で低消費電力の光学装置を実現することができる。

また、中心波長が７５０ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下のレーザ光源をさらに備え、このレーザ光源から出射される検出用レーザ光の偏光成分を検出する構成としてもよい。

このような構成とすることにより、検出用レーザ光により解像度の高い網膜の光学特性を反映した撮像画像を得ることができる。

また、本発明の画像表示装置は、映像信号を受信する受信部と、受信部により受信した映像信号を元にレーザ光源を変調する変調部と、レーザ光源を含む光学照射装置とを備え、光学照射装置は上記記載の光学装置であって、観察者の眼の網膜に映像を投影している構成からなる。

このような構成とすることにより、高速で高精細の動画像を表示する画像表示装置を実現することができる。なお、戻り光を高いＳ／Ｎ比で検出することができるので散乱光の影響を受けることが少ない状態で網膜の光学特性を検出することができる。したがって、解像度の高い網膜の撮像画像を得ることができるので、高精細の動画像を表示する画像表示装置を実現することができる。

また、走査光の一部を反射光として反射する反射体と、反射光のスポットサイズを検出する光検出部と、走査光のビーム形状を制御するビーム形状調節部とをさらに備え、ビーム形状調節部は、光検出部からの出力信号を元に走査光のビーム形状を変化させて網膜上のスポットサイズを規定値以下に制御する構成としてもよい。

このような構成とすることにより、高速で、かつ高精度の光学調整をすることができるので、高速で高精細の動画像を表示する画像表示装置を実現することができる。また、網膜よりも反射率の大きい反射体からの反射光を利用しているので、光学調整が精度よく確実にすることができ、外乱やビームの一部が遮蔽されるなどの影響に対して光学特性などを安定化することができるので観察者に正確で鮮明な画像を認識させることができる。

本発明は、散乱光の影響を受けることが少ない状態で網膜の光学特性を反映した戻り光を高いＳ／Ｎ比で検出することができ、解像度の高い網膜の撮像画像を得ることができる。また、この撮像画像により高速で、かつ高精度の光学調整をすることができるので、高速で高精細の動画像を表示する画像表示装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。

（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１にかかる光学装置１０の概略構成図を示す。

本実施の形態１の光学装置１０は、レーザ光源１１と、このレーザ光源１１から出射されたレーザ光１２を走査する走査部１３と、この走査部１３から出射される走査光１４を観察者の瞳１５に偏向して導く光偏向部１６とからなる走査光学部１７とを備えている。そして、光学装置１０は、観察者の眼１８の網膜１８ａからの戻り光１８ｂを受光する受光光学部１９と、この受光光学部１９からの出力信号により走査光学部１７を制御する制御部２０とを備えている。

この受光光学部１９は、図１に示すように戻り光１８ｂの直交する２つの偏光成分を分離する偏光分離部２１を有し、２つの偏光成分のうち少なくともいずれかの偏光成分の光量を検出することにより、制御部２０が網膜１８ａのそれぞれの位置での光学情報を得て、この光学情報に基づき観察者の眼１８の網膜１８ａにレーザ光１２を照射している。なお、戻り光１８ｂは、偏光分離部２１の偏光ビームスプリッタ２１ａにより２つの偏光成分、Ｐ偏光およびＳ偏光に分離されてそれぞれ受光光学部１９の２つの受光素子１９ａ、１９ｂで光量が検出されている。

また、図１に示すように光偏向部１６は、基板１６ａとこの基板１６ａ上の少なくとも一部に形成されたホログラムミラー１６ｂとからなる。このホログラムミラー１６ｂは、例えば走査光１４（１４ａ、１４ｂ）が所定の大きさのスポットサイズ１４ｃで２次元のホログラムミラー１６ｂの面上の各位置に走査されたときに、平行な走査光１４ｄが観察者の瞳１５に向けて光偏向部１６から走査されるように形成されている。

このような構成とすることにより、小型で軽量な光学系を簡単に構成することができ装置を小型、軽量および薄型化することができる。

次に本実施の形態１の光学装置１０の主な光学的な動作について具体的に説明する。ここでは左右対称な光学系のうち、図１に示すように左側の光学系を例としてその動作について説明する。

図１に示すようにレーザ光源１１は、少なくとも赤色レーザ光源（以下、「Ｒ光源」とする）１１Ｒ、緑色レーザ光源（以下、「Ｇ光源」とする）１１Ｇおよび青色レーザ光源（以下、「Ｂ光源」とする）１１ＢからなるＲＧＢ光源である。ここで、Ｒ光源１１ＲおよびＢ光源１１Ｂには、波長６５０ｎｍおよび波長４５０ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザを用い、Ｇ光源１１Ｇには、波長５３０ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザ励起のＳＨＧレーザを用いている。

このような構成とすることにより、色再現性がよく小型で低消費電力の光学装置１０を実現することができる。

Ｒ光源１１Ｒ、Ｇ光源１１ＧおよびＢ光源１１Ｂから出射されたレーザ光は、コリメートレンズ１１ａによりそれぞれ平行光線に変換されてダイクロイックプリズム１１ｂに入射したのちにレーザ光１２として１つにまとめられてダイクロイックプリズム１１ｂから出射する。そして、レーザ光１２は反射ミラー１３ａで反射されて走査部１３に導かれ、反射ミラー１３ａの上部または下部より光偏向部１６のホログラムミラー１６ｂの面状に２次元方向に走査光１４として所定のスポットサイズで走査される。そして、走査光１４はホログラムミラー１６ｂにより偏向されて観察者の眼１８の瞳１５から入射して網膜１８ａに映像として投影されることになる。なお、ここで走査部１３には、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーを用いて走査光１４を精度よくホログラムミラー１６ｂの面状に２次元的に走査している。

この網膜１８ａ上に投影された走査光１４のスポットサイズ１８ｄは、網膜１８ａ上の焦点位置１８ｃに焦点を結んだときに２０μｍ以下であることが望ましい。これは、例えば水平方向の視野角が１００度の場合に、水平方向に１０００ドットの表示を行うために必要な大きさであり、スポットサイズ１８ｄが合焦時に２０μｍを上回ると隣接するドット同士が重なり合い所定の解像度が得られない。

走査光１４は、網膜１８ａ上の焦点位置１８ｃにおいてスポットサイズ１８ｄに対応した網膜１８ａの凹凸や血管などの情報を光量、光量分布および偏光特性の変化などを光学的な情報として取得して、その一部が戻り光１８ｂとしてレーザ光源１１から走査部１３を経由して光偏向部１６に到達した経路を元に戻る。そして、戻り光１８ｂはダイクロイックプリズム１１ｂに入射したのちレーザ光源１１には戻らずに偏光分離部２１により互いに直行する２つの偏光成分、Ｐ偏光およびＳ偏光に分離されて受光光学部１９の２つの受光素子１９ａ、１９ｂにより検出されている。このときに、レーザ光源１１から出射されたレーザ光１２の光量、光量分布および偏光特性を予め測定しておけば、走査光１４が網膜１８ａに到達したのちの戻り光１８ｂの光量、光量分布および偏光特性を測定することにより、走査光１４が到達した網膜１８ａの凹凸や血管などの情報を光量、光量分布および偏光特性の変化などに置き換えた光学的な情報を取得することができる。

このような構成とすることにより、散乱光の影響を受けることが少ない状態で網膜１８ａの光学特性を反映した戻り光１８ｂを高いＳ／Ｎ比で検出することができる。したがって、解像度の高い網膜１８ａの撮像画像を高速で得ることができる。

また、このような光学的情報を取得するためには、例えばレーザ光源１１から出射されたレーザ光１２がダイクロイックプリズム１１ｂに入射する入射部（図示せず）に偏光板（図示せず）などを配置してダイクロイックプリズム１１ｂに入射するレーザ光１２をＰ偏光の直線偏光のみにしてしまう。そして、このレーザ光１２が走査光１４として網膜１８ａに到達したのち戻り光１８ｂとして戻ってきたときに偏光分離部２１により互いに直行する２つの偏光成分、Ｐ偏光およびＳ偏光に分離されて受光光学部１９の２つの受光素子１９ａ、１９ｂにより検出している。なお、検出を容易にするために２つの偏光成分は集光レンズ１９ｃにより集光されたのちに受光光学部１９で検出されている。

このときに、受光光学部１９は、２つの偏光成分のうち走査光１４と同じ偏光成分の光量を検出することとしてもよい。また、受光光学部１９は、２つの偏光成分のうち走査光１４と直交する偏光成分の光量を検出することとしてもよい。

このような構成とすることにより、散乱光の影響を受けることが少ない状態で網膜１８ａの光学特性を反映した戻り光１８ｂを高いＳ／Ｎ比で検出することができる。したがって、解像度の高い網膜１８ａの撮像画像を得ることができる。

ところで、戻り光１８ｂの中には、走査光１４の一部が角膜１５ａ表面により反射されたＰ偏光や光学装置１０を構成するさまざまな光学素子からの散乱光や外界からの迷光がランダム偏光となり混入する。また、網膜１８ａからの戻り光１８ｂは、網膜１８ａ上の位置によって偏光状態が異なることがあり、戻り光１８ｂのうちＰ偏光の成分が多い場合には図１に示すように切り替え部２０ａによりＰ偏光を選択して検出し、Ｓ偏光の成分が多い場合にはＳ偏光を選択して検出する。このようにすると網膜１８ａの所定の位置の状態を検出する信号光としての戻り光１８ｂの光量を余り減衰させることなく、信号光以外のノイズ成分の光を効果的に減少させることができる。また、偏光分離部２１により２つの偏光成分であるＰ偏光とＳ偏光とに分離して出力信号を検出し、その差分を取ることによりランダム偏光などのノイズ成分をキャンセルして出力信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

したがって、Ｓ／Ｎ比の良い信号検出を行うことができるので、この信号に基づき高速でＳ／Ｎ比が良い画像情報を取得することができる。また、このことに加えて集光性の良いレーザ光源１１を使用しているので解像度の高い画像情報を取得することもできる。

図２に本発明の実施の形態１にかかる他の光学装置３０の概略構成図を示す。図１に示す光学装置１０に比べ、図２に示す光学装置３０は、中心波長が７５０ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下のレーザ光源３１をさらに備え、このレーザ光源３１から出射される検出用レーザ光３２の偏光成分を検出するところが異なっている。すなわち、検出用レーザ光３２は所定の偏光成分、例えばＰ偏光のみの偏光成分からなり、出射されたのちにコリメートレンズ１１ｃにより平行光線に変換されてダイクロイックプリズム１１ｂに入射したのちにレーザ光１２と同じ光路によりダイクロイックプリズム１１ｂから出射する。

したがって、検出用レーザ光３２は、レーザ光源１１から出射されたレーザ光１２と同じ光路により走査部１３、光偏向部１６を経て走査光１４の一部となって網膜１８ａに到達する。そして、検出用レーザ光３２は、レーザ光１２と同様に網膜１８ａの凹凸や血管などの情報を光量、光量分布および偏光特性の変化などを光学的な情報として取得して、その一部が戻り光１８ｂとして往きの経路を元に戻り、受光光学部１９によりその偏光成分の変化を検出されている。このことにより、制御部２０が網膜１８ａのそれぞれの位置での光学情報を得て、この光学情報に基づき観察者の眼１８の網膜１８ａにレーザ光１２を照射している。

このような構成とすることにより、検出用レーザ光３２により解像度の高い網膜１８ａの光学特性を反映した撮像画像を得ることができる。なお、検出用レーザ光３２はレーザ光１２と併用してもよく、レーザ光１２とは別に単独で使用してもよい。

なお、このようなレーザ光源として、例えば７８０ｎｍの波長の光ディスク用レーザや１μｍ帯の波長の光通信用レーザなどを使用することができる。

（実施の形態２）
図３に本発明の実施の形態２にかかる光学装置１０の視線検出方法を示す概略構成図で、（ａ）は眼１８の中心軸３５に対して走査光１４がほぼ平行に入射する場合に取り出される戻り光１８ｂおよび戻り光１８ｂのビームパターン３６を示す図、（ｂ）および（ｃ）は眼１８の中心軸３５に対して走査光１４が所定の角度で入射する場合に取り出される戻り光１８ｂおよび戻り光１８ｂのパターンを示す図である。

図３（ａ）に示すように観察者の眼１８の瞳１５に入射する走査光１４が、眼１８の中心軸３５にほぼ平行に入射して網膜１８ａの焦点位置１８ｃにスポットサイズ１８ｄを結び、戻り光１８ｂが入射した光路と同じ光路で反射されている。また、戻り光１８ｂのビームパターン３６は、入射する走査光１４のビームパターン３６ａと同じパターンで反射される。

図３（ｂ）は図３（ａ）に比べて走査光１４が眼１８の中心軸３５から所定の角度だけずれて入射している。このときに戻り光１８ｂは、さらに中心軸３５からずれて網膜１８ａから反射して眼１８から出射するが、瞳１５の口径で制限されて円の一部の形状の図３（ｂ）のようなビームパターン３６ａを示す。網膜１８ａでの反射光３６ｂのビームパターン３６ｃの一部が瞳１５の口径で制限されて出射されないからである。このビームパターン３６ａには、網膜１８ａで反射されたランダム偏光のノイズが重畳されることになる。

図３（ｃ）は図３（ｂ）よりも走査光１４が眼１８の中心軸３５からさらに所定の角度だけずれて入射している。したがって、戻り光１８ｂが、さらに中心軸３５からずれて網膜１８ａから反射して眼１８から出射している。このときは、網膜１８ａで反射した戻り光１８ｂは瞳１５の口径の範囲内を通過しないのでビームパターン３６ｃは外部に出射されずにランダム偏光のノイズ光だけが出射される。

図１に示す光学装置１０において受光光学部１９は、図３（ａ）から（ｃ）に示す網膜１８ａの中心部３７ａからの戻り光１８ｂの２つの偏光成分のうちの走査光１４と同じ偏光成分の光量を検出している。そして、網膜１８ａの周辺部３７ｂからの戻り光１８ｂの２つの偏光成分のうち走査光１４と直交する偏光成分の光量を検出するようにしてもよい。

このような構成とすることにより、網膜１８ａの中心部３７ａおよび周辺部３７ｂの光学特性を反映した戻り光１８ｂを高いＳ／Ｎ比で検出することができる。したがって、解像度の高い網膜１８ａの撮像画像を得ることができる。

また、戻り光１８ｂのうち走査光１４と同じ偏光成分の光量と観察者の眼１８の中心軸３５に対する走査光１４の走査角との時間変化情報をもとに観察者の視線を検出する構成としてもよい。

このような構成とすることにより、観察者の視線に対応した網膜１８ａ上の正しい位置の像を取得することができるので、解像度の高い網膜１８ａの撮像画像を得ることができる。すなわち、入射する走査光１４と眼１８の中心軸３５との間の角度が大きくなるにしたがって、瞳１５から取り出される戻り光１８ｂの光量が小さくなる。したがって、この戻り光１８ｂの光量の大きさや走査角の変化に対応して変化する光量を時間的な変化量として検出する時間変化情報をもとに観察者の視線を検出することもできる。

（実施の形態３）
図４に本発明の実施の形態３にかかる画像表示装置４０の概略構成図を示す。

図４に示すように本実施の形態３の画像表示装置４０は、例えば実施の形態１の光学装置１０を光学照射装置として受信部４１および変調部４３を備えた構成としている。

すなわち、図４に示す画像表示装置４０は、映像信号を受信する受信部４１と、この受信部４１により受信した映像信号を元にレーザ光源１１を変調する変調部４３と、レーザ光源１１を含む光学照射装置１０とを備えている。そして、光学照射装置１０は実施の形態１および２に示した光学装置であって、観察者の眼１８の網膜１８ａに映像を投影している。

このような構成とすることにより、高速で高精細の動画像を表示する画像表示装置４０を実現することができる。なお、戻り光１８ｂを高いＳ／Ｎ比で検出することができるので散乱光の影響を受けることが少ない状態で網膜１８ａの光学特性を検出することができる。したがって、解像度の高い網膜の撮像画像を得ることができるので、高精細の動画像を表示する画像表示装置４０を実現することができる。

図５に本発明の実施の形態３にかかる他の画像表示装置５０の概略構成図を示す。

画像表示装置５０は、画像表示装置４０と比べて走査光１４の一部を反射光１７ｂとして反射する反射体１７ａと、反射光１７ｂのスポットサイズ１７ｃ、１７ｄを検出する光検出部５１と、走査光１４のビーム形状を制御するビーム形状調節部５２とをさらに備えている。そして、ビーム形状調節部５２は、光検出部５１からの出力信号を元に走査光１４のビーム形状を変化させて網膜１８ａ上のスポットサイズ１８ｄを規定値以下に制御している。ここで、ビーム形状調節部５２はサーボミラー（図示せず）などを備えることにより、反射ミラー１３ａとダイクロイックプリズム１１ｂとの間の光路長を変化させることにより走査光１４のビーム形状を変化させている。

また、図５に示すように反射体１７ａは、光偏向部１６の基板１６ａ上に形成されたホログラムミラー１６ｂに隣接して形成されたサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆである。さらに、反射体１７ａはサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆをホログラムミラー１６ｂに多重化して形成してもよい。なお、走査光１４は光偏向部１６の偏向面１６ｃにおいてスポットサイズ１４ｃのビームサイズで眼１８の方に偏向されている。

このような構成とすることにより、さらに小型で軽量な画像処理の光学系を簡単に構成することができるので高速で、かつ高精度の光学調整を実現することができる。また、観察者に正確な画像を認識させるための処理も簡単に行うことができる。

さらに、複数のホログラムミラーを多重化することにより光偏向部をさらに薄くすることができ、小型、軽量かつ薄型のＨＭＤを実現することができる。

また、ここでは反射光１７ｂは走査光１４ａがサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆにより反射されて走査光１４ａとは逆進するものを利用して光検出部５１により検出している。しかしながら、反射光１７ｂは、走査光１４（１４ａ、１４ｂ）が観察者の瞳１５の角膜または眼１８の網膜１８ａの少なくともいずれかにより反射されたレーザ光を光検出部５１において同様の方法によりそのスポットサイズ１７ｃ、１７ｄにより検出して検出信号を得てもよい。

このよう構成とすることにより、画像表示装置５０の光偏向部１６の光学構成をさらに簡易にすることができる。また、網膜１８ａよりも反射率の大きい反射体１７ａからの反射光１７ｂを利用しているので、光学調整が精度よく確実にすることができ、外乱やビームの一部が遮蔽されるなどの影響に対して光学特性などを安定化することができるので観察者に正確で鮮明な画像を認識させることができる。

図５に示すように反射光１７ｂは走査光１４とは逆進してダイクロイックプリズム１１ｂに入射したのちに光検出部５１に向けて出射される。そして、反射光１７ｂは対物レンズにより絞られて光検出用の回折格子５１ａにより相補的なレンズ作用を与えられて２つの回折光５１ｂ、５１ｃに分離されて検出される。このときに、回折格子５１ａから光検出部５１上の２つの受光素子（図示せず）までの光学的な距離は等距離となるように配置されている。したがって、回折光５１ｂ、５１ｃの受光素子上のスポットサイズ１７ｃ、１７ｄは、走査光１４が観察者の眼１８の網膜１８ａに焦点を結ぶときには等しくなるように制御部２０およびビーム形状調節部５２により予め調整されている。

図６（ａ）および（ｂ）は本実施の形態３にかかるホログラムミラーの例を示す図であり、図５に示す画像表示装置５０の矢印５３の方向から見た光偏向部１６およびサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆを示している。

図６（ａ）において光偏向部１６に形成されたホログラムミラー１６ｂには、反射体１７ａとして多重化されたサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆが形成されている。なお、サーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆは、網膜１８ａ上のスポットサイズ１８ｄが最適値となるときに反射光１７ｂを逆進させるレンズパワーより大きなレンズパワーとなる第１の反射型ホログラムミラー１６ｇと、網膜１８ａ上のスポットサイズ１８ｄが最適値となるときに反射光を逆進させるレンズパワーより小さなレンズパワーとなる第２の反射型ホログラムミラー１６ｈとからなる一対の反射型ホログラムミラーを少なくとも有する構成としてもよい。このときには、光検出部５１の手前に配置された回折格子５１ａはレンズパワーを持たない単純な等間隔の回折格子としている。

このような構成とすることにより、光学調整を行うときのサーボ範囲をさらに拡大する、あるいはオフセットをさらに減少することができる。

また、走査光１４は図６（ａ）に示すビーム走査方向５４に走査して、偏向された走査光１４は観察者の眼１８に、サーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆで反射された反射光１７ｂはサーボ光として光検出部５１にそれぞれ導かれる。したがって、走査光１４を偏向するビーム偏向領域５５とサーボ光が発生する領域５６が重なっている。

一方、図６（ｂ）において反射体１７ａは、ホログラムミラー１６ｂの周囲の少なくとも一部に形成されたサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆである。このときに、図６（ｂ）に示すようにサーボ光発生用ホログラムミラー１６ｆは、図６（ａ）と同様に第１の反射型ホログラムミラー１６ｇと第２の反射型ホログラムミラー１６ｈとからなる一対の反射型ホログラムミラーとして形成していてもよい。このときに、ビーム偏向領域５５において、走査光１４がビーム走査方向５４ａに走査されたのちに観察者の眼１８に映像を投影している。また、サーボ光が発生する領域５６において走査光１４がビーム走査方向５４ｂに走査されたのちに反射光１７ｂが生成し、光検出部５１により検出される。

このような構成とすることにより、光学調整を行うときのサーボ範囲をさらに拡大する、あるいはオフセットをさらに減少することができる。

図６（ｂ）において、光偏向部１６全体にＲＧＢ光および赤外光のうちの少なくともいずれかを走査してもよく、ビーム偏向領域５５にＲＧＢ光を、サーボ光が発生する領域５６に赤外光を走査してもよい。

本発明の光学装置および画像表示装置は、高速で、かつ高精度の光学調整をすることができる、あるいは高速で高精細の動画像を表示することができるので、小型で低消費電力のヘッドマウントディスプレイなどに有用である。

本発明の実施の形態１にかかる光学装置の概略構成図 本発明の実施の形態１にかかる他の光学装置の概略構成図 （ａ）本発明の実施の形態２にかかる光学装置の視線検出方法を示す概略構成図で、眼の中心軸に対して走査光がほぼ平行に入射する場合に取り出される戻り光およびそのビームパターンを示す図（ｂ）眼の中心軸に対して走査光が所定の角度で入射する場合に取り出される戻り光およびそのパターンを示す図（ｃ）眼の中心軸に対して走査光が所定の角度で入射する場合に取り出される戻り光およびそのパターンを示す図 本発明の実施の形態３にかかる画像表示装置の概略構成図 本発明の実施の形態３にかかる他の画像表示装置の概略構成図 本発明の実施の形態３にかかるホログラムミラーの例を示す図

符号の説明

１０，３０ 光学照射装置（光学装置）
１１，３１ レーザ光源
１１ａ，１１ｃ コリメートレンズ
１１ｂ ダイクロイックプリズム
１１Ｒ 赤色レーザ光源（Ｒ光源）
１１Ｇ 緑色レーザ光源（Ｇ光源）
１１Ｂ 青色レーザ光源（Ｂ光源）
１２ レーザ光
１３ 走査部
１３ａ 反射ミラー
１４（１４ａ，１４ｂ） 走査光
１４ｃ，１７ｃ，１７ｄ，１８ｄ スポットサイズ
１５ 瞳
１５ａ 角膜
１６ 光偏向部
１６ａ 基板
１６ｂ ホログラムミラー
１６ｃ 偏向面
１６ｆ サーボ光発生用ホログラムミラー
１６ｇ 第１の反射型ホログラムミラー
１６ｈ 第２の反射型ホログラムミラー
１７ 走査光学部
１７ａ 反射体
１７ｂ，３６ｂ 反射光
１８ 眼
１８ａ 網膜
１８ｂ 戻り光
１８ｃ 焦点位置
１９ 受光光学部
１９ａ，１９ｂ 受光素子
２０ 制御部
２０ａ 切り替え部
２１ 偏光分離部
２１ａ ビームスプリッタ
３２ 検出用レーザ光
３５ 中心軸
３６，３６ａ，３６ｃ ビームパターン
３７ａ 中心部
３７ｂ 周辺部
４０，５０ 画像表示装置
４１ 受信部
４３ 変調部
５１ 光検出部
５１ａ 回折格子
５１ｂ，５１ｃ 回折光
５２ ビーム形状調節部
５３ 矢印
５４，５４ａ，５４ｂ ビーム走査方向
５５ ビーム偏向領域
５６ サーボ光が発生する領域

Claims (10)

1. レーザ光源と、
   このレーザ光源から出射されたレーザ光を走査する走査部と、この走査部から出射される走査光を観察者の瞳に偏向して導く光偏向部とからなる走査光学部と、
   前記観察者の眼の網膜からの戻り光を受光する受光光学部と、
   この受光光学部からの出力信号により前記走査光学部を制御する制御部とを備えた光学装置であって、
   前記受光光学部は、前記戻り光の直交する２つの偏光成分を分離する偏光分離部を有し、前記２つの偏光成分のうち少なくともいずれかの偏光成分の光量を検出することにより、前記制御部が前記網膜のそれぞれの位置での光学情報を得て、この光学情報に基づき前記観察者の眼の網膜に前記レーザ光を照射していることを特徴とする光学装置。
2. 前記光偏向部は、基板とこの基板上の少なくとも一部に形成されたホログラムミラーとからなることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記受光光学部は、前記２つの偏光成分のうち前記走査光と同じ偏光成分の光量を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
4. 前記受光光学部は、前記２つの偏光成分のうち前記走査光と直交する偏光成分の光量を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
5. 前記受光光学部は、前記網膜の中心部からの戻り光の前記２つの偏光成分のうち前記走査光と同じ偏光成分の光量を検出し、前記網膜の周辺部からの戻り光の前記２つの偏光成分のうち前記走査光と直交する偏光成分の光量を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
6. 前記戻り光のうち前記走査光と同じ偏光成分の光量と前記観察者の眼の中心軸に対する前記走査光の走査角との時間変化情報をもとに前記観察者の視線を検出することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学装置。
7. 前記レーザ光源は、少なくとも赤色レーザ光源、緑色レーザ光源および青色レーザ光源からなるＲＧＢ光源であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光学装置。
8. 中心波長が７５０ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下のレーザ光源をさらに備え、このレーザ光源から出射される検出用レーザ光の偏光成分を検出することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光学装置。
9. 映像信号を受信する受信部と、
   前記受信部により受信した映像信号を元にレーザ光源を変調する変調部と、
   前記レーザ光源を含む光学照射装置とを備え、
   前記光学照射装置は請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光学装置であって、観察者の眼の網膜に映像を投影していることを特徴とする画像表示装置。
10. 走査光の一部を反射光として反射する反射体と、
    前記反射光のスポットサイズを検出する光検出部と、
    前記走査光のビーム形状を制御するビーム形状調節部とをさらに備え、
    前記ビーム形状調節部は、前記光検出部からの出力信号を元に前記走査光のビーム形状を変化させて網膜上のスポットサイズを規定値以下に制御することを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。

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