JP2014038239A - 画像表示装置および頭部装着型画像表示装置 - Google Patents

画像表示装置および頭部装着型画像表示装置 Download PDF

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Abstract

【課題】従来技術に比べて画像全体のぼけを低減し、観察者が視認する画像の表示品質を高めることができる画像表示装置および頭部装着型画像表示装置を提供すること。
【解決手段】画像表示装置1は、画像信号に応じて変調された信号光を2次元走査する光走査部42と、使用される時に観察者の眼の前方に位置し、かつ、光走査部42からの信号光を観察者の眼に向けて反射する曲面を有する反射部6と、光走査部42と反射部6との間の光軸上に位置し、かつ、反射部6で反射した信号光が平行光となるように、光走査部42からの信号光を光走査部42と反射部6との間で集光するレンズ45とを備える。
【選択図】図9

Description

本発明は、画像表示装置および頭部装着型画像表示装置に関する。
画像表示装置として、観察者の頭部に装着して使用され、観察者が視認する画像を虚像として表示するヘッドマウントディスプレイ(頭部装着型画像表示装置)が知られている(例えば、特許文献1参照)。
このようなヘッドマウントディスプレイとしては、画像情報に応じて変調された光を出射する光源と、光源からの光を走査する走査光学系と、走査光学系からの光を観察者の眼に向けて反射する曲面のハーフミラーとを有するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特表2007−537465号公報
従来、このようなヘッドマウントディスプレイでは、走査光学系からの光が直接曲面のハーフミラーに入射する。走査光学系からの光は平行光となっているため、曲面のハーフミラーで反射された光が平行光とならない。
そのため、観察者の網膜上で適切に光が結像せずに、画像全体として見たときに画像のぼけが発生するといった、画像の表示品質を低下させるという問題があった。
本発明の目的は、従来技術に比べて画像全体のぼけを低減し、観察者が視認する画像の表示品質を高めることができる画像表示装置および頭部装着型画像表示装置を提供することにある。
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の画像表示装置は、観察者の頭部に装着される画像表示装置であって、
ノーズパッド部を含むフロント部、を含む眼鏡型のフレームと、
前記フロント部に支持され、かつ、可視光に対して透光性を有する透光部と、
画像信号に応じて変調された信号光が入射し、当該入射した信号光を前記透光部に向けて2次元走査する光走査部と、
前記透光部の前記光走査部からの信号光が入射する面に位置し、前記光走査部からの信号光を反射する曲面を有するハーフミラーと、
前記光走査部と前記ハーフミラーとの間の光軸上に位置し、かつ、前記ハーフミラーで反射された信号光が平行光となるように、前記光走査部からの信号光を前記光走査部と前記ハーフミラーとの間で集光する集光レンズとを有することを特徴とする。
このように構成された画像表示装置によれば、集光レンズにより、光走査部からの信号光が光走査部と透光部との間で集光するので、曲面のハーフミラーで反射された光を平行光とすることができる。これにより、観察者の眼の瞳位置に平行光の信号光を導くことができ、観察者の網膜上に信号光を結像することができるため、観察者が視認する画像の表示品質を高めることができる。
また、観察者は、外界像を視認しながら、信号光により形成された虚像(画像)を視認することができる。すなわち、シースルー型のヘッドマウントディスプレイを実現することができる。
本発明の画像表示装置では、前記光走査部は、前記フロント部の前記ノーズパッド部側、かつ、前記ハーフミラーにて反射される光の光軸よりも前記フロント部の中心に近い側に位置することが好ましい。
これにより、光走査部が使用時に観察者の眼よりも鼻側に位置するように配置されるので、観察者の顔に対して側方側に張り出した部分が形成されるのを防止することができる。また、ハーフミラーが使用時に観察者の眼の前方かつ光走査部よりも観察者に対して遠方側に位置するので、観察者の顔に対して前方側に張り出した部分が形成されるのを防止することができる。このようなことから、観察者が感じる重さを低減することができる。
本発明の画像表示装置では、前記信号光を前記光走査部へ導光する光ファイバーを備えることが好ましい。
これにより、信号光生成部の設置位置の自由度が増す。
本発明の画像表示装置では、前記光ファイバーから出射された前記信号光の放射角を調整するレンズと、
前記光ファイバーの前記レンズ側の端部を前記光ファイバーの軸線方向に移動させることにより、前記光走査部と前記ハーフミラーとの間の前記信号光の集光位置を変更する集光位置変更部と、を備えることが好ましい。
これにより、比較的簡単かつ小型な構成で、光走査部で信号光を走査することにより形成された走査光の結像位置を調整し、観察者が視認する画像を最適化することができる。
本発明の画像表示装置では、前記信号光を生成する信号光生成部を備え、
前記フレームは、前記フロント部に接続するテンプル部と、テンプル部の端部であるモダン部と、を含み、
前記信号光生成部は、前記モダン部に設けられることが好ましい。
これにより、画像表示装置の重量バランスを優れたものとすることができる。
本発明の画像表示装置では、前記信号光生成部は、互いに異なる色の光を出射する複数の光源と、前記複数の光源からの光を合成する合成部とを有し、前記合成部で合成された光を前記信号光として出射することが好ましい。
これにより、多色化された画像(虚像)を表示することができる。
本発明の画像表示装置では、前記集光レンズが一部を構成するハウジングを備え、前記ハウジング内に前記光走査部が収納されていることが好ましい。
これにより、部品点数を抑えるとともに、装置の小型化を図ることができる。
本発明の画像表示装置では、前記光走査部は、前記フレームに取り付けられ、前記ハーフミラーに対して移動可能であることが好ましい。
これにより、光走査部で信号光を走査することにより形成された走査光の結像位置の眼幅方向での調整を行うことができる。
本発明の画像表示装置では、前記光走査部は、光反射性を有する光反射部を備える可動部を、互いに直交する2つの軸周りにそれぞれ揺動させる光スキャナーを有することが好ましい。
これにより、光走査部の小型化および軽量化を図ることができる。
本発明の画像表示装置では、前記光走査部は、
前記可動部、および前記可動部を囲むように設けられた枠体部を含むジンバル構造を有することが好ましい。
これにより、光スキャナーがより小型なものとなり、その結果、光走査部をより小型なものとすることができる。
本発明の画像表示装置では、前記光走査部は、
前記可動部に設けられ、かつ、前記可動部の面積よりも大きい面積を有する前記光反射部が形成された光反射板を含むことが好ましい。
これにより、光スキャナーがさらに小型なものとなり、その結果、光走査部をさらに小型なものとすることができる。
本発明の画像表示装置では、前記ハーフミラーの前記光走査部からの光を反射する曲面は、凹面であることが好ましい。
これにより、画像表示装置の小型化を図ることともに、画像表示装置のデザイン性を高めることができる。また、光走査部からの信号光を反射部で容易に使用時の観察者の眼に向けて反射させることができる。
本発明の画像表示装置では、前記ハーフミラーは、回折格子であることが好ましい。
これにより、回折格子に様々な光学特性をもたせ、光学系の部品点数を減らしたり、デザインの自由度を高めたりすることができる。
本発明の画像表示装置では、前記光走査部および前記ハーフミラーを一体として前記フレームに対して移動可能であることが好ましい。
これにより、光走査部と反射部との位置関係を保持しつつ、観察者の眼幅方向での結像位置を調整することができる。
本発明の画像表示装置は、観察者の頭部に装着して使用される画像表示装置であって、
画像信号に応じて変調された信号光を2次元走査する光走査部と、
前記使用される時に観察者の眼の前方に位置し、かつ、前記光走査部からの前記信号光を当該観察者の眼に向けて反射する曲面を有する反射部と、
前記光走査部と前記反射部との間の光軸上に位置し、かつ、前記反射部で反射した前記信号光が平行光となるように、前記光走査部からの信号光を前記光走査部と前記反射部との間で集光する集光レンズとを備えることを特徴とする。
このように構成された画像表示装置によれば、集光レンズにより、光走査部からの信号光が光走査部と反射部との間で集光するので、曲面の反射部で反射された光を平行光とすることができる。これにより、観察者の眼の瞳位置に平行光の信号光を導くことができ、観察者の網膜上に信号光を結像することができるため、観察者が視認する画像の表示品質を高めることができる。
本発明の画像表示装置では、前記光走査部は、前記反射部よりも前記使用される時の前記観察者に近い位置であって、かつ、前記使用される時の前記観察者の両眼の間の位置に配置されることが好ましい。
これにより、光走査部が使用される時に観察者の眼よりも鼻側に位置するように配置されるので、観察者の顔に対して側方側に張り出した部分が形成されるのを防止することができる。また、使用される時に反射部が観察者の眼の前方かつ光走査部よりも観察者に対して遠方側に位置するので、観察者の顔に対して前方側に張り出した部分が形成されるのを防止することができる。このようなことから、観察者が感じる重さを低減することができる。
本発明の画像表示装置では、前記信号光を前記光走査部へ導光する光ファイバーを備えることが好ましい。
これにより、信号光生成部の設置位置の自由度が増す。
本発明の画像表示装置では、前記光ファイバーから出射された前記信号光の放射角を調整するレンズと、
前記光ファイバーの前記レンズ側の端部を前記光ファイバーの軸線方向に移動させることにより、前記光走査部と前記反射部との間の前記信号光の集光位置を変更する集光位置変更部と、を備えることが好ましい。
これにより、比較的簡単かつ小型な構成で、光走査部で信号光を走査することにより形成された走査光の結像位置を調整し、観察者が視認する画像を最適化することができる。
本発明の画像表示装置では、前記信号光を生成する信号光生成部を備え、
前記信号光生成部は、前記使用される時に観察者の耳に対して眼とは反対側の位置に配置されていることが好ましい。
これにより、画像表示装置の重量バランスを優れたものとすることができる。
本発明の画像表示装置では、前記信号光生成部は、互いに異なる色の光を出射する複数の光源と、前記複数の光源からの光を合成する合成部とを有し、前記合成部で合成された光を前記信号光として出射することが好ましい。
これにより、多色化された画像(虚像)を表示することができる。
本発明の画像表示装置では、前記集光レンズが一部を構成するハウジングを備え、前記ハウジング内に前記光走査部が収納されていることが好ましい。
これにより、部品点数を抑えるとともに、装置の小型化を図ることができる。
本発明の画像表示装置では、使用時に観察者の鼻に当接するノーズパッド部を有するフレームを備え、
前記光走査部は、前記フレームに取り付けられ、前記反射部に対して移動可能であることが好ましい。
これにより、光走査部で信号光を走査することにより形成された走査光の結像位置の眼幅方向での調整を行うことができる。
本発明の画像表示装置では、前記光走査部は、光反射性を有する光反射部を備える可動部を、互いに直交する2つの軸周りにそれぞれ揺動させる光スキャナーを有することが好ましい。
これにより、光走査部の小型化および軽量化を図ることができる。
本発明の画像表示装置では、前記光走査部は、
前記可動部、および前記可動部を囲むように設けられた枠体部を含むジンバル構造を有することが好ましい。
これにより、光スキャナーがより小型なものとなり、その結果、光走査部をより小型なものとすることができる。
本発明の画像表示装置では、前記光走査部は、
前記可動部に設けられ、かつ、前記可動部の面積よりも大きい面積を有する前記光反射部が形成された光反射板を含むことが好ましい。
これにより、光スキャナーがさらに小型なものとなり、その結果、光走査部をさらに小型なものとすることができる。
本発明の画像表示装置では、前記反射部は、前記使用される時に観察者の鼻側から耳側に向かって湾曲していることが好ましい。
これにより、画像表示装置の小型化を図ることともに、画像表示装置のデザイン性を高めることができる。また、光走査部からの信号光を反射部で容易に使用時の観察者の眼に向けて反射させることができる。
本発明の画像表示装置では、前記反射部は、前記光走査部からの信号光を反射させるとともに、使用時に前記反射部の外側から観察者の眼に向かう外界光を透過させる機能を有することが好ましい。
これにより、観察者は、外界像を視認しながら、信号光により形成された虚像(画像)を視認することができる。すなわち、シースルー型のヘッドマウントディスプレイを実現することができる。
本発明の画像表示装置では、前記反射部は、前記外界光を透過させる透明基板と、前記透明基板に支持され、前記光走査部からの信号光を反射させる回折格子とを有することが好ましい。
これにより、回折格子に様々な光学特性をもたせ、光学系の部品点数を減らしたり、デザインの自由度を高めたりすることができる。
本発明の画像表示装置では、使用時における観察者の眼幅方向に前記光走査部および前記反射部を一体として移動可能であることが好ましい。
これにより、光走査部と反射部との位置関係を保持しつつ、観察者の眼幅方向での結像位置を調整することができる。
本発明の頭部装着型画像表示装置は、可視光に対して透光性を有する透光部と、
画像信号に応じて変調された信号光が入射し、当該入射した信号光を前記透光部に向けて2次元走査する光走査部と、
前記透光部の前記光走査部からの信号光が入射する面に位置し、前記光走査部からの信号光を反射する曲面を有するハーフミラーと、
前記光走査部と前記ハーフミラーとの間の光軸上に位置し、かつ、前記ハーフミラーで反射された信号光が平行光となるように、前記光走査部からの信号光を前記光走査部と前記ハーフミラーとの間で集光する集光レンズとを有することを特徴とする。
このように構成された画像表示装置によれば、集光レンズにより、光走査部からの信号光が光走査部と透光部との間で集光するので、曲面のハーフミラーで反射された光を平行光とすることができる。これにより、観察者の眼の瞳位置に平行光の信号光を導くことができ、観察者の網膜上に信号光を結像することができるため、観察者が視認する画像の表示品質を高めることができる。
また、観察者は、外界像を視認しながら、信号光により形成された虚像(画像)を視認することができる。すなわち、シースルー型のヘッドマウントディスプレイを実現することができる。
本発明の頭部装着型画像表示装置は、可視光に対して透光性を有する透光部と、
画像信号に応じて変調された信号光が入射し、当該入射した信号光を前記透光部に向けて2次元走査する光走査部と、
前記透光部の前記光走査部からの信号光が入射する面に位置し、前記光走査部からの信号光を反射する曲面を有するハーフミラーと、
前記光走査部と前記ハーフミラーとの間の光軸上に位置し、かつ、前記ハーフミラーで反射された信号光が平行光となるように、前記光走査部と前記ハーフミラーとの間に位置する前記光走査部からの信号光の結像点を調整する結像点調整部とを有することを特徴とする。
このように構成された画像表示装置によれば、結像点調整部により、光走査部と透光部との間に位置する光走査部からの信号光の結像点を調整するので、曲面のハーフミラーで反射された光を平行光とすることができる。これにより、観察者の眼の瞳位置に平行光の信号光を導くことができ、観察者の網膜上に信号光を結像することができるため、観察者が視認する画像の表示品質を高めることができる。
また、観察者は、外界像を視認しながら、信号光により形成された虚像(画像)を視認することができる。すなわち、シースルー型のヘッドマウントディスプレイを実現することができる。
本発明の第1実施形態に係る画像表示装置(ヘッドマウントディスプレイ)の概略構成を示す図である。 図1に示す画像表示装置の部分拡大図である。 図2に示す信号生成部の概略構成図である。 図3に示す駆動信号生成部の駆動信号の一例を示す図である。 図1および図2に示す走査光出射部の使用時における位置を説明するための図である。 図2に示す光走査部の概略構成図である。 図6に示す光スキャナーの平面図である。 図6に示す光スキャナーの断面図(X軸に沿った断面図)である。 図6に示す集光レンズ(結像点調整部)を説明するための図である。 図6に示す集光位置変更部を説明するための図である。 本発明の第2実施形態に係る画像表示装置の部分拡大図である。 本発明の第3実施形態に係る画像表示装置を示す図である。
以下、本発明の画像表示装置および頭部装着型画像表示装置の好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る画像表示装置(ヘッドマウントディスプレイ)の概略構成を示す図、図2は、図1に示す画像表示装置の部分拡大図である。また、図3は、図2に示す信号生成部の概略構成図、図4は、図3に示す駆動信号生成部の駆動信号の一例を示す図である。また、図5は、図1および図2に示す走査光出射部の使用時における位置を説明するための図である。また、図6は、図2に示す光走査部の概略構成図、図7は、図6に示す光スキャナーの平面図、図8は、図6に示す光スキャナーの断面図(X軸に沿った断面図)である。また、図9は、図6に示す集光レンズ(結像点調整部)を説明するための図、図10は、図6に示す集光位置変更部を説明するための図である。
なお、図1および図2では、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸およびZ軸を図示しており、その図示した矢印の先端側を「+側」、基端側を「−側」とする。また、X軸に平行な方向を「X軸方向」、Y軸に平行な方向を「Y軸方向」、Z軸に平行な方向を「Z軸方向」という。ここで、X軸、Y軸およびZ軸は、後述する画像表示装置1を観察者の頭部Hに装着した際に、X軸方向が頭部Hの前後方向、Y軸方向が頭部Hの上下方向、Z軸方向が頭部Hの左右方向となるように設定されている。
図1に示すように、本実施形態の画像表示装置1は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイ(頭部装着型画像表示装置)であって、観察者の頭部Hに装着して使用され、観察者に虚像による画像を外界像と重畳した状態で視認させるものである。
この画像表示装置1は、フレーム2と、信号生成部3と、走査光出射部4と、反射部6とを備える。
このような画像表示装置1では、信号生成部3が画像情報に応じて変調された信号光を生成し、走査光出射部4がその信号光を2次元的に走査して走査光を出射し、反射部6がその走査光を観察者の眼EYに向けて反射する。これにより、画像情報に応じた虚像を観察者に視認させることができる。
なお、画像表示装置1は、右眼用の虚像と左眼用の虚像とをそれぞれ形成するものであるが、説明の便宜上、各図では、右眼用の虚像を形成する構成について代表的に図示し、左眼用の虚像を形成する構成については、右眼用の虚像を形成する構成と同様であるため、その図示を省略している。
以下、画像表示装置1の各部を順次詳細に説明する。
(フレーム)
図1および図2に示すように、フレーム2は、眼鏡フレームのような形状をなし、信号生成部3、走査光出射部4および反射部6を支持する機能を有する。
また、フレーム2は、図1に示すように、走査光出射部4、反射部6、ノーズパッド部21を支持するフロント部22と、フロント部22に接続されて使用者の耳に当接する1対のテンプル部(つる部)23と、各テンプル部23のフロント部22と反対の端部であるモダン部24と、を含む。ノーズパッド部21は、使用時に観察者の鼻NSに当接して、画像表示装置1を観察者の頭部に対して支持している。フロント部22には、リム部25やブリッジ部26が含まれる。
このノーズパッド部21は、使用時における観察者に対するフレーム2の位置を調整可能に構成されている。
なお、フレーム2の形状は、観察者の頭部Hに装着することができるものであれば、図示のものに限定されない。
(信号生成部)
図1および図2に示すように、信号生成部3は、前述したフレーム2の一方のモダン部24に取り付けられている。
すなわち、信号生成部3は、使用時に観察者の耳EAに対して眼EYとは反対側に配置されている。これにより、画像表示装置の重量バランスを優れたものとすることができる。
この信号生成部3は、後述する走査光出射部4の光走査部42で走査される信号光を生成する機能と、光走査部42を駆動する駆動信号を生成する機能とを有する。
このような信号生成部3は、図3に示すように、信号光生成部31と、駆動信号生成部32と、制御部33と、レンズ34とを備える。
信号光生成部31は、後述する走査光出射部4の光走査部42(光スキャナー)で走査(光走査)される信号光を生成するものである。
この信号光生成部31は、波長の異なる複数の光源311R、311G、311Bと、複数の駆動回路312R、312G、312Bと、光合成部(合成部)313とを有する。
光源311R(R光源)は、赤色光を出射するものであり、光源311G(G光源)は、緑色光を出射するものであり、光源311Bは、青色光を出射するものである。このような3色の光を用いることにより、フルカラーの画像を表示することができる。
このような光源311R、311G、311Bは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、レーザーダイオード、LEDを用いることができる。
このような光源311R、311G、311Bは、それぞれ、駆動回路312R、312G、312Bに電気的に接続されている。
駆動回路312Rは、前述した光源311Rを駆動する機能を有し、駆動回路312Gは、前述した光源311Gを駆動する機能を有し、駆動回路312Bは、前述した光源311Bを駆動する機能を有する。
このような駆動回路312R、312G、312Bにより駆動された光源311R、311G、311Bから出射された3つ(3色)の光は、光合成部313に入射する。
光合成部313は、複数の光源311R、311G、311Bからの光を合成するものである。これにより、信号光生成部31で生成される信号光を走査光出射部4へ伝送するための光ファイバーの数を少なくすることができる。そのため、本実施形態では、フレーム2のテンプル部に沿って設けられた1本の光ファイバー7を介して信号生成部3から走査光出射部4へ信号光を伝送することができる。
本実施形態では、光合成部313は、2つのダイクロイックミラー313a、313bを有する。
ダイクロイックミラー313aは、赤色光を透過させるとともに緑色光を反射する機能を有する。また、ダイクロイックミラー313bは、赤色光および緑色光を透過させるとともに青色光を反射する機能を有する。
このようなダイクロイックミラー313a、313bを用いることにより、光源311R、311G、311Bからの赤色光、緑色光および青色光の3色の光を合成して、信号光を形成する。
本実施形態では、光源311R、311G、311Bからの赤色光、緑色光および青色光の光路長が互いに等しくなるように、光源311R、311G、311Bが配置されている。
なお、光合成部313は、前述したようなダイクロイックミラーを用いた構成に限定されず、例えば、光導波路、光ファイバー等で構成されていてもよい。
このような信号光生成部31で生成した信号光は、レンズ34を介して光ファイバー7に入力される。そして、かかる信号光は、光ファイバー7を介して、後述する走査光出射部4の光走査部42に伝送される。
このように信号光生成部31で生成した信号光を光走査部42へ導光する光ファイバー7を用いることにより、信号光生成部31の設置位置の自由度が増す。
ここで、レンズ34は、信号光生成部31で生成した信号光を光ファイバー7に入力するために集光するものである。なお、レンズ34は、必要に応じて設ければよく、省略することができる。また、例えば、レンズ34に代えて、各光源311R、311G、311Bと光合成部313との間にレンズを設けることによっても、信号光を光ファイバー7に入力することができる。
駆動信号生成部32は、後述する走査光出射部4の光走査部42(光スキャナー)を駆動する駆動信号を生成するものである。
この駆動信号生成部32は、光走査部42の第1の方向での走査(水平走査)に用いる第1の駆動信号を生成する駆動回路321(第1の駆動回路)と、光走査部42の第1の方向に直交する第2の方向での走査(垂直走査)に用いる第2の駆動信号を生成する駆動回路322(第2の駆動回路)とを有する。
例えば、駆動回路321は、図4(a)に示すように、周期T1で周期的に変化する第1の駆動信号V1(水平走査用電圧)を発生させるものであり、駆動回路322は、図4(b)に示すように、周期T1と異なる周期T2で周期的に変化する第2の駆動信号V2(垂直走査用電圧)を発生させるものである。
なお、第1の駆動信号および第2の駆動信号については、後に詳述する。
このような駆動信号生成部32は、図示しない信号線を介して、後述する走査光出射部4の光走査部42に電気的に接続されている。これにより、駆動信号生成部32で生成した駆動信号(第1の駆動信号および第2の駆動信号)は、後述する走査光出射部4の光走査部42に入力される。
前述したような信号光生成部31の駆動回路312R、312G、312Bおよび駆動信号生成部32の駆動回路321、322は、制御部33に電気的に接続されている。
制御部33は、映像信号(画像信号)に基づいて、信号光生成部31の駆動回路312R、312G、312Bおよび駆動信号生成部32の駆動回路321、322の駆動を制御する機能を有する。
これにより、信号光生成部31が画像情報に応じて変調された信号光を生成するとともに、駆動信号生成部32が画像情報に応じた駆動信号を生成する。
(走査光出射部)
図1および図2に示すように、走査光出射部4は、前述したフレーム2のブリッジ部近傍(言い換えればフロント部の中心近傍)に取り付けられている。
すなわち、走査光出射部4は、使用時に観察者の眼EYよりも鼻NS側に位置するように配置されている。言い換えれば、走査光出射部4は、使用時の観察者の正面から見て、観察者の両眼EYの間に位置している。なお、両眼EYの間とは、図5に示すように、両眼EYの目頭EY1間の間ということができる。さらに言い換えれば、走査光出射部4は、反射部6によって反射された信号光の光軸の位置よりも、ブリッジ部側(すなわちフロント部の中心側)位置している。これにより、画像表示装置1に観察者の顔に対して側方側に張り出した部分が形成されるのを防止することができる。
ここで、走査光出射部4は、フレーム2の内側に取り付けられている。すなわち、走査光出射部4は、後述する反射部6に対して、使用時に観察者側(すなわちフロント部22のノーズパッド部21側)に配置されている。これにより、画像表示装置1に観察者の顔に対して前方側に張り出した部分が形成されるのを防止することができる。
また、走査光出射部4は、フレーム2に対して、前述したノーズパッド部21とは異なる位置に移動機構5を介して取り付けられている。この移動機構5は、フレーム2に対して走査光出射部4をZ軸に沿った方向に移動し得るように構成されている。そのため、走査光出射部4は、後述する反射部6に対してZ軸に沿った方向に移動可能である。これにより、信号光を走査することにより形成された走査光の結像位置(水平方向および垂直方向に拡がる走査光全体が結像する位置)の眼幅方向での調整をノーズパッド部21の位置調整と独立して行うことができる。
このような走査光出射部4は、図6に示すように、ハウジング41と、光走査部42と、レンズ(カップリングレンズ)43と、集光位置変更機構(集光位置変更部)44と、レンズ(集光レンズ)45とを備える。
ハウジング41は、光走査部42およびレンズ43を収納する。このハウジング41は、防塵・防滴構造をなしている。
また、ハウジング41には、集光位置変更機構44を介して、光ファイバー7が取り付けられている。なお、集光位置変更機構44については、後に詳述する。
さらに、ハウジング41には、レンズ45が取り付けられ、レンズ45がハウジング41の一部(壁部の一部)を構成している。これにより、部品点数を抑えるとともに、装置の小型化を図ることができる。なお、レンズ45については、後に詳述する。
光走査部42は、信号光生成部31からの信号光を2次元的に走査する光スキャナーである。この光走査部42で信号光を走査することにより走査光が形成される。
この光走査部42は、図7に示すように、可動ミラー部11と、1対の軸部12a、12b(第1の軸部)と、枠体部13と、2対の軸部14a、14b、14c、14d(第2の軸部)と、支持部15と、永久磁石16と、コイル17とを備える。言い換えれば、光走査部42はいわゆるジンバル構造を有している。
ここで、可動ミラー部11および1対の軸部12a、12bは、Y1軸(第1の軸)周りに揺動(往復回動)する第1の振動系を構成する。また、可動ミラー部11、2対の軸部12a、12b、枠体部13、1対の軸部14a、14b、14c、14dおよび永久磁石16は、X1軸(第2の軸)周りに揺動(往復回動)する第2の振動系を構成する。
また、光走査部42は、信号重畳部18を有しており(図6参照)、永久磁石16、コイル17、信号重畳部18および駆動信号生成部32は、前述した第1の振動系および第2の振動系を駆動(すなわち、可動ミラー部11をX1軸およびY1軸周りに揺動)させる駆動部を構成する。
以下、光走査部42の各部を順次詳細に説明する。
可動ミラー部11は、基部111(可動部)と、スペーサー112を介して基部111に固定された光反射板113とを有する。
光反射板113の上面(一方の面)には、光反射性を有する光反射部114が設けられている。
この光反射板113は、軸部12a、12bに対して厚さ方向に離間するとともに、厚さ方向からみたときに(以下、「平面視」ともいう)軸部12a、12bと重なって設けられている。
そのため、軸部12aと軸部12bとの間の距離を短くしつつ、光反射板113の板面の面積を大きくすることができる。また、軸部12aと軸部12bとの間の距離を短くすることができることから、枠体部13の小型化を図ることができる。さらに、枠体部13の小型化を図ることができることから、軸部14a、14bと軸部14c、14dとの間の距離を短くすることできる。
このようなことから、光反射板113の板面の面積を大きくしても、光走査部42の小型化を図ることができる。言い換えると、光反射部114の面積に対する光走査部42の大きさを小さくすることができる。
また、光反射板113は、平面視にて、軸部12a、12bの全体を覆うように形成されている。言い換えると、軸部12a、12bは、それぞれ、平面視にて、光反射板113の外周に対して内側に位置している。これにより、光反射板113の板面の面積が大きくなり、その結果、光反射部114の面積を大きくすることができる。また、不要な光が軸部12a、12bで反射して迷光となるのを防止することができる。
また、光反射板113は、平面視にて、枠体部13の全体を覆うように形成されている。言い換えると、枠体部13は、平面視にて、光反射板113の外周に対して内側に位置している。これにより、光反射板113の板面の面積が大きくなり、その結果、光反射部114の面積を大きくすることができる。また、不要な光が枠体部13で反射して迷光となるのを防止することができる。
さらに、光反射板113は、平面視にて、軸部14a、14b、14c、14dの全体を覆うように形成されている。言い換えると、軸部14a、14b、14c、14dは、それぞれ、平面視にて、光反射板113の外周に対して内側に位置している。これにより、光反射板113の板面の面積が大きくなり、その結果、光反射部114の面積を大きくすることができる。また、不要な光が軸部14a、14b、14c、14dで反射して迷光となるのを防止することができる。
本実施形態では、光反射板113は、平面視にて、円形をなしている。なお、光反射板113の平面視形状は、これに限定されず、例えば、楕円形、四角形等の多角形であってもよい。
このような光反射板113の下面(他方の面)には、図8に示すように、硬質層115が設けられている。
硬質層115は、光反射板113本体の構成材料よりも硬質な材料で構成されている。これにより、光反射板113の剛性を高めることができる。そのため、光反射板113の揺動時における撓みを防止または抑制することができる。また、光反射板113の厚さを薄くし、光反射板113のX1軸およびY1軸周りの揺動時における慣性モーメントを抑えることができる。
このような硬質層115の構成材料としては、光反射板113本体の構成材料よりも硬質な材料であれば、特に限定されず、例えば、ダイヤモンド、カーボンナイトライド膜、水晶、サファイヤ、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウムなどを用いることができるが、特に、ダイヤモンドを用いるのが好ましい。
硬質層115の厚さ(平均)は、特に限定されないが、1〜10μm程度であるのが好ましく、1〜5μm程度であるのがさらに好ましい。
また、硬質層115は、単層で構成されていてもよいし、複数の層の積層体で構成されていてもよい。なお、硬質層115は、必要に応じて設けられるものであり、省略することもできる。
このような硬質層115の形成には、例えば、プラズマCVD、熱CVD、レーザーCVDのような化学蒸着法(CVD)、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、浸漬メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射、シート状部材の接合等を用いることができる。
また、光反射板113の下面は、スペーサー112を介して基部111に固定されている。これにより、軸部12a、12b、枠体部13および軸部14a、14b、14c、14dとの接触を防止しつつ、光反射板113をY1軸周りに揺動させることができる。
また、基部111は、それぞれ、平面視にて、光反射板113の外周に対して内側に位置している。すなわち、光反射板113の光反射部114が設けられる面(板面)の面積は、基部111のスペーサー112が固定される面の面積よりも大きい。また、基部111の平面視での面積は、基部111がスペーサー112を介して光反射板113を支持することができれば、できるだけ小さいのが好ましい。これにより、光反射板113の板面の面積を大きくしつつ、軸部12aと軸部12bとの間の距離を小さくすることができる。
枠体部13は、図7に示すように、枠状をなし、前述した可動ミラー部11の基部111を囲んで設けられている。言い換えると、可動ミラー部11の基部111は、枠状をなす枠体部13の内側に設けられている。
そして、枠体部13は、軸部14a、14b、14c、14dを介して支持部15に支持されている。また、可動ミラー部11の基部111は、軸部12a、12bを介して枠体部13に支持されている。
また、枠体部13は、Y1軸に沿った方向での長さがX1軸に沿った方向での長さよりも長くなっている。すなわち、Y1軸に沿った方向における枠体部13の長さをaとし、X1軸に沿った方向における枠体部13の長さをbとしたとき、a>bなる関係を満たす。これにより、軸部12a、12bに必要な長さを確保しつつ、X1軸に沿った方向における光走査部42の長さを抑えることができる。
また、枠体部13は、平面視にて、可動ミラー部11の基部111および1対の軸部12a、12bからなる構造体の外形に沿った形状をなしている。これにより、可動ミラー部11および1対の軸部12a、12bで構成された第1の振動系の振動、すなわち、可動ミラー部11のY1軸周りの揺動を許容しつつ、枠体部13の小型化を図ることができる。
なお、枠体部13の形状は、可動ミラー部11の基部111を囲む枠状であれば、図示のものに限定されない。
軸部12a、12bおよび軸部14a、14b、14c、14dは、それぞれ、弾性変形可能である。
そして、軸部12a、12bは、可動ミラー部11をY1軸(第1の軸)周りに回動(揺動)可能とするように、可動ミラー部11と枠体部13を連結している。また、軸部14a、14b、14c、14dは、枠体部13をY1軸に直交するX1軸(第2の軸)周りに回動(揺動)可能とするように、枠体部13と支持部15を連結している。
軸部12a、12bは、可動ミラー部11の基部111を介して互いに対向するように配置されている。また、軸部12a、12bは、それぞれ、Y1軸に沿った方向に延在する長手形状をなす。そして、軸部12a、12bは、それぞれ、一端部が基部111に接続され、他端部が枠体部13に接続されている。また、軸部12a、12bは、それぞれ、中心軸がY1軸に一致するように配置されている。
このような軸部12a、12bは、それぞれ、可動ミラー部11のY1軸周りの揺動に伴ってねじれ変形する。
軸部14a、14bおよび軸部14c、14dは、枠体部13を介して(挟んで)互いに対向するように配置されている。また、軸部14a、14b、14c、14dは、それぞれ、X1軸に沿った方向に延在する長手形状をなす。そして、軸部14a、14b、14c、14dは、それぞれ、一端部が枠体部13に接続され、他端部が支持部15に接続されている。また、軸部14a、14bは、X1軸を介して互いに対向するように配置され、同様に、軸部14c、14dは、X1軸を介して互いに対向するように配置されている。
このような軸部14a、14b、14c、14dは、枠体部13のX1軸周りの揺動に伴って、軸部14a、14b全体および軸部14c、14d全体がそれぞれねじれ変形する。
このように、可動ミラー部11をY1軸周りに揺動可能とするとともに、枠体部13をX1軸周りに揺動可能とすることにより、可動ミラー部11を互いに直交するX1軸およびY1軸の2軸周りに揺動(往復回動)させることができる。
また、このような軸部12a、12bのうちの少なくとも一方の軸部、および、軸部14a、14b、14c、14dのうちの少なくとも1つの軸部には、それぞれ、例えば歪みセンサーのような角度検出センサーが設けられている。この角度検出センサーは、光走査部42の角度情報、より具体的には、光反射部114のX1軸周りおよびY1軸周りのそれぞれの揺動角を検出することができる。この検出結果は、図示しないケーブルを介して、制御部33に入力される。
なお、軸部12a、12bおよび軸部14a、14b、14c、14dの形状は、それぞれ、前述したものに限定されず、例えば、途中の少なくとも1箇所に屈曲または湾曲した部分や分岐した部分を有していてもよい。
前述したような基部111、軸部12a、12b、枠体部13、軸部14a、14b、14c、14dおよび支持部15は、一体的に形成されている。
本実施形態では、基部111、軸部12a、12b、枠体部13、軸部14a、14b、14c、14dおよび支持部15は、第1のSi層(デバイス層)と、SiO層(ボックス層)と、第2のSi層(ハンドル層)とがこの順に積層したSOI基板をエッチングすることにより形成されている。これにより、第1の振動系および第2の振動系の振動特性を優れたものとすることができる。また、SOI基板は、エッチングにより微細な加工が可能であるため、SOI基板を用いて基部111、軸部12a、12b、枠体部13、軸部14a、14b、14c、14dおよび支持部15を形成することにより、これらの寸法精度を優れたものとすることができ、また、光走査部42の小型化を図ることができる。
そして、基部111、軸部12a、12bおよび軸部14a、14b、14c、14dは、それぞれ、SOI基板の第1のSi層で構成されている。これにより、軸部12a、12bおよび軸部14a、14b、14c、14dの弾性を優れたものとすることができる。また、基部111がY1軸周りに回動する際に枠体部13に接触するのを防止することができる。
また、枠体部13および支持部15は、それぞれ、SOI基板の第1のSi層、SiO層および第2のSi層からなる積層体で構成されている。これにより、枠体部13および支持部15の剛性を優れたものとすることができる。また、枠体部13のSiO層および第2のSi層は、枠体部13の剛性を高めるリブとしての機能だけでなく、可動ミラー部11が永久磁石16に接触するのを防止する機能も有する。
また、支持部15の上面には、反射防止処理が施されているのが好ましい。これにより、支持部15に照射された不要光が迷光となるのを防止することができる。
かかる反射防止処理としては、特に限定されないが、例えば、反射防止膜(誘電体多層膜)の形成、粗面化処理、黒色処理等が挙げられる。
なお、前述した基部111、軸部12a、12bおよび軸部14a、14b、14c、14dの構成材料および形成方法は、一例であり、本発明は、これに限定されるものではない。
また、本実施形態では、スペーサー112および光反射板113も、SOI基板をエッチングすることにより形成されている。そして、スペーサー112は、SOI基板のSiO層および第2のSi層からなる積層体で構成されている。また、光反射板113は、SOI基板の第1のSi層で構成されている。
このように、SOI基板を用いてスペーサー112および光反射板113を形成することにより、互いに接合されたスペーサー112および光反射板113を簡単かつ高精度に製造することができる。
このようなスペーサー112は、例えば、接着剤、ろう材等の接合材(図示せず)により基部111に接合されている。
前述した枠体部13の下面(光反射板113とは反対側の面)には、永久磁石16が接合されている。
永久磁石16と枠体部13との接合方法としては、特に限定されないが、例えば、接着剤を用いた接合方法を用いることができる。
永久磁石16は、平面視にて、X1軸およびY1軸に対して傾斜する方向に磁化されている。
本実施形態では、永久磁石16は、X1軸およびY1軸に対して傾斜する方向に延在する長手形状(棒状)をなす。そして、永久磁石16は、その長手方向に磁化されている。すなわち、永久磁石16は、一端部をS極とし、他端部をN極とするように磁化されている。
また、永久磁石16は、平面視にて、X1軸とY1軸との交点を中心として対称となるように設けられている。
なお、本実施形態では、枠体部13に1つの永久磁石の数を設置した場合を例に説明するが、これに限定されず、例えば、枠体部13に2つの永久磁石を設置してもよい。この場合、例えば、長尺状をなす2つの永久磁石を、平面視にて基部111を介して互いに対向するとともに、互いに平行となるように、枠体部13に設置すればよい。
X1軸に対する永久磁石16の磁化の方向(延在方向)の傾斜角θは、特に限定されないが、30°以上60°以下であるのが好ましく、45°以上60°以下であることがより好ましく、45°であるのがさらに好ましい。このように永久磁石16を設けることで、円滑かつ確実に可動ミラー部11をX1軸の周りに回動させることができる。
このような永久磁石16としては、例えば、ネオジム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、ボンド磁石等を好適に用いることができる。このような永久磁石16は、硬磁性体を着磁したものであり、例えば、着磁前の硬磁性体を枠体部13に設置した後に着磁することにより形成される。既に着磁がなされた永久磁石16を枠体部13に設置しようとすると、外部や他の部品の磁界の影響により、永久磁石16を所望の位置に設置できない場合があるからである。
このような永久磁石16の直下には、コイル17が設けられている。すなわち、枠体部13の下面に対向するように、コイル17が設けられている。これにより、コイル17から発生する磁界を効率的に永久磁石16に作用させることができる。これにより、光走査部42の省電力化および小型化を図ることができる。
このようなコイル17は、信号重畳部18に電気的に接続されている(図6参照)。
そして、信号重畳部18によりコイル17に電圧が印加されることで、コイル17からX1軸およびY1軸に直交する磁束を有する磁界が発生する。
信号重畳部18は、前述した第1の駆動信号V1と第2の駆動信号V2とを重畳する加算器(図示せず)を有し、その重畳した電圧をコイル17に印加する。
ここで、第1の駆動信号V1および第2の駆動信号V2について詳述する。
前述したように、駆動回路321は、図4(a)に示すように、周期T1で周期的に変化する第1の駆動信号V1(水平走査用電圧)を発生させるものである。すなわち、駆動回路321は、第1周波数(1/T1)の第1の駆動信号V1を発生させるものである。
第1の駆動信号V1は、正弦波のような波形をなしている。そのため、光走査部42は効果的に光を主走査することができる。なお、第1の駆動信号V1の波形は、これに限定されない。
また、第1周波数(1/T1)は、水平走査に適した周波数であれば、特に限定されないが、10〜40kHzであるのが好ましい。
本実施形態では、第1周波数は、可動ミラー部11および1対の軸部12a、12bで構成される第1の振動系(ねじり振動系)のねじり共振周波数(f1)と等しくなるように設定されている。つまり、第1の振動系は、そのねじり共振周波数f1が水平走査に適した周波数になるように設計(製造)されている。これにより、可動ミラー部11のY1軸周りの回動角を大きくすることができる。
一方、前述したように、駆動回路322は、図4(b)に示すように、周期T1と異なる周期T2で周期的に変化する第2の駆動信号V2(垂直走査用電圧)を発生させるものである。すなわち、駆動回路322は、第2周波数(1/T2)の第2の駆動信号V2を発生させるものである。
第2の駆動信号V2は、鋸波のような波形をなしている。そのため、光走査部42は効果的に光を垂直走査(副走査)することができる。なお、第2の駆動信号V2の波形は、これに限定されない。
第2周波数(1/T2)は、第1周波数(1/T1)と異なり、かつ、垂直走査に適した周波数であれば、特に限定されないが、30〜80Hz(60Hz程度)であるのが好ましい。このように、第2の駆動信号V2の周波数を60Hz程度とし、前述したように第1の駆動信号V1の周波数を10〜40kHzとすることで、ディスプレイでの描画に適した周波数で、可動ミラー部11を互いに直交する2軸(X1軸およびY1軸)のそれぞれの軸周りに回動させることができる。ただし、可動ミラー部11をX1軸およびY1軸のそれぞれの軸周りに回動させることができれば、第1の駆動信号V1の周波数と第2の駆動信号V2の周波数との組み合わせは、特に限定されない。
本実施形態では、第2の駆動信号V2の周波数は、可動ミラー部11、1対の軸部12a、12b、枠体部13、2対の軸部14a、14b、14c、14dおよび永久磁石16で構成された第2の振動系(ねじり振動系)のねじり共振周波数(共振周波数)と異なる周波数となるように調整されている。
このような第2の駆動信号V2の周波数(第2周波数)は、第1の駆動信号V1の周波数(第1周波数)よりも小さいことが好ましい。すなわち、周期T2は、周期T1よりも長いことが好ましい。これにより、より確実かつより円滑に、可動ミラー部11をY1軸周りに第1周波数で回動させつつ、X1軸周りに第2周波数で回動させることができる。
また、第1の振動系のねじり共振周波数をf1[Hz]とし、第2の振動系のねじり共振周波数をf2[Hz]としたとき、f1とf2とが、f2<f1の関係を満たすことが好ましく、f1≧10f2の関係を満たすことがより好ましい。これにより、より円滑に、可動ミラー部11を、Y1軸周りに第1の駆動信号V1の周波数で回動させつつ、X1軸周りに第2の駆動信号V2の周波数で回動させることができる。これに対し、f1≦f2とした場合は、第2周波数による第1の振動系の振動が起こる可能性がある。
次に、光走査部42の駆動方法について説明する。なお、本実施形態では、前述したように、第1の駆動信号V1の周波数は、第1の振動系のねじり共振周波数と等しく設定されており、第2の駆動信号V2の周波数は、第2の振動系のねじり共振周波数と異なる値に、かつ、第1の駆動信号V1の周波数よりも小さくなるように設定されている(例えば、第1の駆動信号V1の周波数が15kHz、第2の駆動信号V2の周波数が60Hzに設定されている)。
例えば、図4(a)に示すような第1の駆動信号V1と、図4(b)に示すような第2の駆動信号V2とを信号重畳部18にて重畳し、重畳した電圧をコイル17に印加する。
すると、第1の駆動信号V1によって、永久磁石16の一端部(N極)をコイル17に引き付けようとするとともに、永久磁石16の他端部(S極)をコイル17から離間させようとする磁界(この磁界を「磁界A1」という)と、永久磁石16の一端部(N極)をコイル17から離間させようとするとともに、永久磁石16の他端部(S極)をコイル17に引き付けようとする磁界(この磁界を「磁界A2」という)とが交互に切り換わる。
ここで、上述したように、永久磁石16は、それぞれの端部(磁極)が、Y1軸で分割される2つの領域に位置するように配置される。すなわち、図7の平面視において、Y1軸を挟んで一方側に永久磁石16のN極が位置し、他方側に永久磁石16のS極が位置している。そのため、磁界A1と磁界A2とが交互に切り換わることで、枠体部13にY1軸周りのねじり振動成分を有する振動が励振され、その振動に伴って、軸部12a、12bを捩れ変形させつつ、可動ミラー部11が第1の駆動信号V1の周波数でY1軸まわりに回動する。
また、第1の駆動信号V1の周波数は、第1の振動系のねじり共振周波数と等しい。そのため、第1の駆動信号V1によって、効率的に、可動ミラー部11をY1軸周りに回動させることができる。すなわち、前述した枠体部13のY1軸周りのねじり振動成分を有する振動が小さくても、その振動に伴う可動ミラー部11のY1軸周りの回動角を大きくすることができる。
一方、第2の駆動信号V2によって、永久磁石16の一端部(N極)をコイル17に引き付けようとするとともに、永久磁石16の他端部(S極)をコイル17から離間させようとする磁界(この磁界を「磁界B1」という)と、永久磁石16の一端部(N極)をコイル17から離間させようとするとともに、永久磁石16の他端部(S極)をコイル17に引き付けようとする磁界(この磁界を「磁界B2」という)とが交互に切り換わる。
ここで、上述したように、永久磁石16は、それぞれの端部(磁極)が、X1軸で分割される2つの領域に位置するように配置される。すなわち図7の平面視において、X1軸を挟んで一方側に永久磁石16のN極が位置し、他方側に永久磁石16のS極が位置している。そのため、磁界B1と磁界B2とが交互に切り換わることで、軸部14a、14bおよび軸部14c、14dをそれぞれ捩れ変形させつつ、枠体部13が可動ミラー部11とともに、第2の駆動信号V2の周波数でX1軸周りに回動する。
また、第2の駆動信号V2の周波数は、第1の駆動信号V1の周波数に比べて極めて低く設定されている。また、第2の振動系のねじり共振周波数は、第1の振動系のねじり共振周波数よりも低く設計されている。そのため、可動ミラー部11が第2の駆動信号V2の周波数でY1軸周りに回動してしまうことを防止することができる。
以上説明したような光走査部42によれば、光反射性を有する光反射部114を備える可動ミラー部11を互いに直交する2つの軸周りにそれぞれ揺動させるので、光走査部42の小型化および軽量化を図ることができる。
このような光走査部42で走査された信号光(走査光)は、レンズ45を介して、ハウジング41の外部へ出射する。
レンズ45は、光走査部42と反射部6との間に設けられている。
このレンズ45は、反射部6で反射した信号光が平行光となるように、光走査部42からの信号光を光走査部42と反射部6との間で集光する単レンズである。すなわち、レンズ45は、反射部6で反射した信号光が平行光となるように、走査される位置に応じて信号光の結像点(集光位置)を調整する結像点調整部を構成していると言える。このようなレンズ45を設けることにより、反射部6の姿勢や形状等の設計の自由度が増す。
レンズ45について具体的に説明する。図9に示すように、レンズ45は、光走査部42が信号光を反射部6の近位側の位置に走査するときの信号光の結像点をFP1とし、光走査部42が信号光を反射部6の中間の位置に走査するときの信号光の結像点をFP2とし、光走査部42が信号光を反射部6の遠位側の位置に走査するときの信号光の結像点をFP3としたとき、(結像点FP1と可動ミラー部11との間の距離)<(結像点FP1と可動ミラー部11との間の距離)<(結像点FP1と可動ミラー部11との間の距離)の関係を満たす。
このように結像点FP1、FP2、FP3が可動ミラー部11に対して位置することにより、使用時に観察者の鼻側から耳側に向かう方向に傾斜した状態で配置される反射部6で反射した信号光を平行光とすることができる。
これに対し、レンズ45で補正を行なわずに可動ミラー部11からの距離が等しい位置P1、P2、P3に信号光の結像点が位置する場合、反射部6の反射面が湾曲によってレンズ効果を有し、かつ、反射部6の反射面に対して信号光の入射角が傾斜しているため、反射部6で反射した走査光を平行光とすることができない。
このような結像点FP1、FP2、FP3を含む像面は、位置P1、P2、P3を含む面に対して傾斜している。したがって、レンズ45は、反射部6で反射した信号光が平行光となるように、走査される位置に応じて信号光の結像面を傾斜(湾曲)させる傾斜像面形成部を構成していると言える。
ここで、集光位置変更機構44について詳述する。
図6に示す集光位置変更機構(集光位置変更部)44は、光ファイバー7の光走査部42側の端面を光ファイバー7の軸線方向に移動させることにより、信号光の集光位置(前述した結像点)を変更する機能を有する。これにより、比較的簡単かつ小型な構成で、光走査部42で信号光を走査することにより形成された走査光の集光位置を変更(調整)し、観察者が視認する画像を最適化することができる。
この集光位置変更機構44は、図10に示すように、光ファイバー7に固定された雄ネジ部材441と、ハウジング41に対して回転可能に支持され、雄ネジ部材441に螺合する雌ネジ部材442とを有する。
このような集光位置変更機構44は、雌ネジ部材442をハウジング41に対して回転させることにより、雄ネジ部材441とともに光ファイバー7を光ファイバー7の軸線方向に移動させることができる。
このような集光位置変更機構44を介してハウジング41に取り付けられた光ファイバー7から出射した信号光は、レンズ43を介して、前述した光走査部42の光反射部114に入射する。
レンズ43は、光ファイバー7から出射した信号光のスポット径を調整する機能を有する。また、レンズ43は、光ファイバー7から出射した信号光の放射角を調整し、略平行化する機能をも有する。
(反射部)
図1および図2に示すように、反射部6は、前述したフレーム2のフロント部22に含まれるリム部25に取り付けられている。
すなわち、反射部6は、使用時に観察者の眼EYの前方かつ光走査部42よりも当該観察者に対して遠方側に位置するように配置されている。これにより、画像表示装置1に観察者の顔に対して前方側に張り出した部分が形成されるのを防止することができる。
この反射部6は、光走査部42からの信号光を当該観察者の眼に向けて反射する機能を有する。
本実施形態では、反射部6は、ハーフミラーであり、外界光を透過させる機能(可視光に対する透光性)をも有する。すなわち、反射部6は、光走査部42からの信号光を反射させるとともに、使用時において反射部6の外側から観察者の眼に向かう外界光を透過させる機能を有する。これにより、観察者は、外界像を視認しながら、信号光により形成された虚像(画像)を視認することができる。すなわち、シースルー型のヘッドマウントディスプレイを実現することができる。
具体的には、反射部6は、外界光を透過させる透明基板(透光部)61と、透明基板61に支持され、光走査部42からの信号光を反射させる回折格子62とを有する。なお、反射部6は、それ自体がハーフミラーであるとも言えるし、また、透明基板61に回折格子62等のハーフミラーが設けられているとも言える。これにより、回折格子62に様々な光学特性をもたせ、光学系の部品点数を減らしたり、デザインの自由度を高めたりすることができる。例えば、回折格子62としてホログラム素子を用いることにより、反射部6で反射する信号光の出射方向を調整することができる。また、回折格子62にレンズ効果をもたせることによって、反射部6で反射する信号光からなる走査光全体の結像状態を調整することもできる。
なお、反射部6は、前述した構成に限定されず、例えば、透明基板上に金属薄膜や誘電体多層膜等で構成された半透過反射膜を形成したものであってもよい。
また、反射部6は、眼幅方向に対して使用時の観察者の鼻NS側から耳EA側に向かう方向に傾斜した状態で配置される。言い換えれば、反射部6は、使用時の観察者の鼻NS側から耳EA側に向かう顔の輪郭に略沿った曲面形状を有する。さらに言い換えると、使用時の観察者の鼻NS側から耳EA側に向かって湾曲している。これにより、画像表示装置1の小型化を図ることともに、画像表示装置1のデザイン性を高めることができる。また、光走査部42からの信号光を反射部6で容易に使用時の観察者の眼EYに向けて反射させることができる。
本実施形態では、反射部6は、フレーム2の湾曲に沿って湾曲した形状をなす。すなわち反射部6の反射面は凹面の曲面形状を有している。
以上説明したような画像表示装置1によれば、光走査部42が使用時に観察者の眼EYよりも鼻NS側に位置するように配置されているので、観察者の顔に対して側方側に張り出した部分が形成されるのを防止することができる。また、反射部6が使用時に観察者の眼EYの前方かつ光走査部42よりも観察者に対して遠方側に位置するので、観察者の顔に対して前方側に張り出した部分が形成されるのを防止することができる。しかも、レンズ45が反射部6で反射した信号光を平行光とすることができるので、反射部6の姿勢や形状等の設計の自由度が増す。このようなことから、画像表示装置1は、観察者が感じる重さを低減するとともに、デザインの自由度を高めることができる。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
図11は、本発明の第2実施形態に係る画像表示装置の部分拡大図である。
以下、第2実施形態について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、図11において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
本実施形態の画像表示装置は、眼幅位置調整部を設けた以外は、前述した第1実施形態の画像表示装置と同様である。
本実施形態の画像表示装置1Aは、眼幅位置調整機構8(眼幅位置調整部)を備える。
眼幅位置調整機構8は、使用時における観察者の眼幅方向に当該観察者の眼EYの位置に対して光走査部42および反射部6を一体として移動可能に構成されている。これにより、光走査部42と反射部6との位置関係を保持しつつ、観察者の眼幅方向での結像位置を調整することができる。
人間の眼幅(両眼間の距離)には、人種や性別あるは個体間等によって差がある。そのため、観察者が異なると、走査光の結像位置が観察者の眼EYに対して左右方向(横方向)にずれる場合がある。そこで、眼幅位置調整機構(眼幅位置調整部)8により、眼EYに対する走査光の結像位置を調整する。
この眼幅位置調整機構8は、図示しないスライド機構を有し、これにより、観察者の頭部の左右方向(Z軸方向)に、光走査部42および反射部6を一体として移動するように構成されている。ここで、光走査部42および反射部6を一体として移動することにより、光走査部42から反射部6への走査光の投射状態を一定に保つことができる。
以上説明したような第2実施形態の画像表示装置1Aによっても、従来技術に比べて画像全体のぼけを低減し、観察者が視認する画像の表示品質を高めることができる。
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
図12は、本発明の第3実施形態に係る画像表示装置を示す図である。
以下、第3実施形態について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、図12において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
本実施形態の画像表示装置は、ヘッドセット型の頭部装着型画像表示装置に適用した以外は、前述した第1実施形態の画像表示装置と同様である。
本実施形態の画像表示装置1Bは、観察者の頭部に装着される装着部27と、装着部27から延出する延出部28とを有する。
そして、装着部27には、信号生成部3が設けられている。また、延出部28には、走査光出射部4および反射部6が取り付けられている。
このような画像表示装置1Bにおいても、走査光出射部4の集光レンズにより、走査光出射部4の光走査部からの信号光が光走査部と反射部6との間で集光するので、曲面の反射部6で反射された光を平行光とすることができる。これにより、観察者の眼の瞳位置に平行光の信号光を導くことができ、観察者の網膜上に信号光を結像することができるため、観察者が視認する画像の表示品質を高めることができる。
以上説明したような第3実施形態の画像表示装置1Bによっても、従来技術に比べて画像全体のぼけを低減し、観察者が視認する画像の表示品質を高めることができる。
以上、本発明の画像表示装置および頭部装着型画像表示装置について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の画像表示装置では、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができ、また、他の任意の構成を付加することもできる。
また、本発明は、前記各実施形態のうちの、任意の2以上の構成(特徴)を組み合わせたものであってもよい。
また、前述した実施形態では、右眼用および左眼用の虚像を形成する場合を例に説明したが、右眼用または左眼用のいずれか一方の虚像を形成するように構成にしてもよい。
また、前述した実施形態では、眼鏡型およびヘッドセット型の頭部装着型画像表示装置に本発明を適用した場合を例に説明したが、本発明は、頭部に装着可能な画像表示装置であれば、これらに限定されず、例えば、ヘルメット型の頭部装着型画像表示装置にも適用可能である。
1‥‥画像表示装置 1A‥‥画像表示装置 1B‥‥画像表示装置 2‥‥フレーム 3‥‥信号生成部 4‥‥走査光出射部 5‥‥移動機構 6‥‥反射部 7‥‥光ファイバー 8‥‥眼幅位置調整機構 11‥‥可動ミラー部 12a‥‥軸部 12b‥‥軸部 13‥‥枠体部 14a‥‥軸部 14b‥‥軸部 14c‥‥軸部 14d‥‥軸部 15‥‥支持部 16‥‥永久磁石 17‥‥コイル 18‥‥信号重畳部 21‥‥ノーズパッド部 22‥‥フロント部 23‥‥テンプル部 24‥‥モダン部 25‥‥リム部 26‥‥ブリッジ部 27‥‥装着部 28‥‥延出部 31‥‥信号光生成部 32‥‥駆動信号生成部 33‥‥制御部 34‥‥レンズ 41‥‥ハウジング 42‥‥光走査部 43‥‥レンズ(カップリングレンズ) 44‥‥集光位置変更機構(集光位置変更部) 45‥‥レンズ(集光レンズ、結像点調整部) 61‥‥透明基板 62‥‥回折格子 111‥‥基部 112‥‥スペーサー 113‥‥光反射板 114‥‥光反射部 115‥‥硬質層 311B‥‥光源 311G‥‥光源 311R‥‥光源 312B‥‥駆動回路 312G‥‥駆動回路 312R‥‥駆動回路 313‥‥光合成部 313a‥‥ダイクロイックミラー 313b‥‥ダイクロイックミラー 321‥‥駆動回路 322‥‥駆動回路 441‥‥雄ネジ部材 442‥‥雌ネジ部材 EA‥‥耳 EY‥‥眼 EY‥‥両眼 FP1、FP2、FP3‥‥結像点 H‥‥頭部 NS‥‥鼻 P1、P2、P3‥‥位置 T1‥‥周期 T2‥‥周期 V1‥‥第1の駆動信号 V2‥‥第2の駆動信号 θ‥‥傾斜角
以下、画像表示装置1の各部を順次詳細に説明する。
(フレーム)
図1および図2に示すように、フレーム2は、眼鏡フレームのような形状をなし、信号生成部3、走査光出射部4および反射部6を支持する機能を有する。
また、フレーム2は、図1に示すように、走査光出射部4、反射部6、ノーズパッド部21を支持するフロント部22と、フロント部22に接続されて観察者の耳に当接する1対のテンプル部(つる部)23と、各テンプル部23のフロント部22と反対の端部であるモダン部24と、を含む。ノーズパッド部21は、使用時に観察者の鼻NSに当接して、画像表示装置1を観察者の頭部に対して支持している。フロント部22には、リム部25やブリッジ部26が含まれる。
このノーズパッド部21は、使用時における観察者に対するフレーム2の位置を調整可能に構成されている。
なお、フレーム2の形状は、観察者の頭部Hに装着することができるものであれば、図示のものに限定されない。
ここで、可動ミラー部11および1対の軸部12a、12bは、Y1軸(第1の軸)周りに揺動(往復回動)する第1の振動系を構成する。また、可動ミラー部11、対の軸部12a、12b、枠体部13、対の軸部14a、14b、14c、14dおよび永久磁石16は、X1軸(第2の軸)周りに揺動(往復回動)する第2の振動系を構成する。
また、光走査部42は、信号重畳部18を有しており(図6参照)、永久磁石16、コイル17、信号重畳部18および駆動信号生成部32は、前述した第1の振動系および第2の振動系を駆動(すなわち、可動ミラー部11をX1軸およびY1軸周りに揺動)させる駆動部を構成する。
レンズ45について具体的に説明する。図9に示すように、レンズ45は、光走査部42が信号光を反射部6の近位側の位置に走査するときの信号光の結像点をFP1とし、光走査部42が信号光を反射部6の中間の位置に走査するときの信号光の結像点をFP2とし、光走査部42が信号光を反射部6の遠位側の位置に走査するときの信号光の結像点をFP3としたとき、(結像点FP1と可動ミラー部11との間の距離)<(結像点FPと可動ミラー部11との間の距離)<(結像点FPと可動ミラー部11との間の距離)の関係を満たす。

Claims (31)

  1. 観察者の頭部に装着される画像表示装置であって、
    ノーズパッド部を含むフロント部、を含む眼鏡型のフレームと、
    前記フロント部に支持され、かつ、可視光に対して透光性を有する透光部と、
    画像信号に応じて変調された信号光が入射し、当該入射した信号光を前記透光部に向けて2次元走査する光走査部と、
    前記透光部の前記光走査部からの信号光が入射する面に位置し、前記光走査部からの信号光を反射する曲面を有するハーフミラーと、
    前記光走査部と前記ハーフミラーとの間の光軸上に位置し、かつ、前記ハーフミラーで反射された信号光が平行光となるように、前記光走査部からの信号光を前記光走査部と前記ハーフミラーとの間で集光する集光レンズとを有することを特徴とする画像表示装置。
  2. 前記光走査部は、前記フロント部の前記ノーズパッド部側、かつ、前記ハーフミラーにて反射される光の光軸よりも前記フロント部の中心に近い側に位置する、ことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。
  3. 前記信号光を前記光走査部へ導光する光ファイバーを備えることを特徴とする請求項1または2に記載の画像表示装置。
  4. 前記光ファイバーから出射された前記信号光の放射角を調整するレンズと、
    前記光ファイバーの前記レンズ側の端部を前記光ファイバーの軸線方向に移動させることにより、前記光走査部と前記ハーフミラーとの間の前記信号光の集光位置を変更する集光位置変更部と、を備えることを特徴とする請求項3に記載の画像表示装置。
  5. 前記信号光を生成する信号光生成部を備え、
    前記フレームは、前記フロント部に接続するテンプル部と、テンプル部の端部であるモダン部と、を含み、
    前記信号光生成部は、前記モダン部に設けられることを特徴とする請求項3または4に記載の画像形成装置。
  6. 前記信号光生成部は、互いに異なる色の光を出射する複数の光源と、前記複数の光源からの光を合成する合成部とを有し、前記合成部で合成された光を前記信号光として出射することを特徴とする請求項5に記載の画像表示装置。
  7. 前記集光レンズが一部を構成するハウジングを備え、
    前記ハウジング内に前記光走査部が収納されていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  8. 前記光走査部は、前記フレームに取り付けられ、前記ハーフミラーに対して移動可能であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  9. 前記光走査部は、光反射性を有する光反射部を備える可動部を、互いに直交する2つの軸周りにそれぞれ揺動させる光スキャナーを有することを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  10. 前記光走査部は、
    前記可動部、および前記可動部を囲むように設けられた枠体部を含むジンバル構造を有することを特徴とする請求項9に記載の画像表示装置。
  11. 前記光走査部は、
    前記可動部に設けられ、かつ、前記可動部の面積よりも大きい面積を有する前記光反射部が形成された光反射板を含むことを特徴とする請求項10に記載の画像表示装置。
  12. 前記ハーフミラーの前記光走査部からの光を反射する曲面は、凹面であることを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  13. 前記ハーフミラーは、回折格子であることを特徴とする請求項1ないし12のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  14. 前記光走査部および前記ハーフミラーを一体として前記フレームに対して移動可能であることを特徴とする請求項1ないし13のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  15. 観察者の頭部に装着して使用される画像表示装置であって、
    画像信号に応じて変調された信号光を2次元走査する光走査部と、
    前記使用される時に観察者の眼の前方に位置し、かつ、前記光走査部からの前記信号光を当該観察者の眼に向けて反射する曲面を有する反射部と、
    前記光走査部と前記反射部との間の光軸上に位置し、かつ、前記反射部で反射した前記信号光が平行光となるように、前記光走査部からの信号光を前記光走査部と前記反射部との間で集光する集光レンズとを備えることを特徴とする画像表示装置。
  16. 前記光走査部は、前記反射部よりも前記使用される時の前記観察者に近い位置であって、かつ、前記使用される時の前記観察者の両眼の間の位置に配置されることを特徴とする請求項15に記載の画像表示装置。
  17. 前記信号光を前記光走査部へ導光する光ファイバーを備えることを特徴とする請求項15または16に記載の画像表示装置。
  18. 前記光ファイバーから出射された前記信号光の放射角を調整するレンズと、
    前記光ファイバーの前記レンズ側の端部を前記光ファイバーの軸線方向に移動させることにより、前記光走査部と前記反射部との間の前記信号光の集光位置を変更する集光位置変更部と、を備えることを特徴とする請求項17に記載の画像表示装置。
  19. 前記信号光を生成する信号光生成部を備え、
    前記信号光生成部は、前記使用される時に観察者の耳に対して眼とは反対側の位置に配置されていることを特徴とする請求項17または18に記載の画像表示装置。
  20. 前記信号光生成部は、互いに異なる色の光を出射する複数の光源と、前記複数の光源からの光を合成する合成部とを有し、前記合成部で合成された光を前記信号光として出射することを特徴とする請求項19に記載の画像表示装置。
  21. 前記集光レンズが一部を構成するハウジングを備え、
    前記ハウジング内に前記光走査部が収納されていることを特徴とする請求項15ないし20のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  22. 使用時に観察者の鼻に当接するノーズパッド部を有するフレームを備え、
    前記光走査部は、前記フレームに取り付けられ、前記反射部に対して移動可能であることを特徴とする請求項15ないし21のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  23. 前記光走査部は、光反射性を有する光反射部を備える可動部を、互いに直交する2つの軸周りにそれぞれ揺動させる光スキャナーを有することを特徴とする請求項15ないし22のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  24. 前記光走査部は、
    前記可動部、および前記可動部を囲むように設けられた枠体部を含むジンバル構造を有することを特徴とする請求項23に記載の画像表示装置。
  25. 前記光走査部は、
    前記可動部に設けられ、かつ、前記可動部の面積よりも大きい面積を有する前記光反射部が形成された光反射板を含む、ことを特徴とする請求項24に記載の画像表示装置。
  26. 前記反射部は、前記使用される時に観察者の鼻側から耳側に向かって湾曲していることを特徴とする請求項15ないし25のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  27. 前記反射部は、前記光走査部からの信号光を反射させるとともに、使用時に前記反射部の外側から観察者の眼に向かう外界光を透過させる機能を有することを特徴とする請求項15ないし26のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  28. 前記反射部は、前記外界光を透過させる透明基板と、前記透明基板に支持され、前記光走査部からの信号光を反射させる回折格子とを有することを特徴とする請求項27に記載の画像表示装置。
  29. 使用時における観察者の眼幅方向に前記光走査部および前記反射部を一体として移動可能であることを特徴とする請求項15ないし28のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  30. 可視光に対して透光性を有する透光部と、
    画像信号に応じて変調された信号光が入射し、当該入射した信号光を前記透光部に向けて2次元走査する光走査部と、
    前記透光部の前記光走査部からの信号光が入射する面に位置し、前記光走査部からの信号光を反射する曲面を有するハーフミラーと、
    前記光走査部と前記ハーフミラーとの間の光軸上に位置し、かつ、前記ハーフミラーで反射された信号光が平行光となるように、前記光走査部からの信号光を前記光走査部と前記ハーフミラーとの間で集光する集光レンズとを有することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
  31. 可視光に対して透光性を有する透光部と、
    画像信号に応じて変調された信号光が入射し、当該入射した信号光を前記透光部に向けて2次元走査する光走査部と、
    前記透光部の前記光走査部からの信号光が入射する面に位置し、前記光走査部からの信号光を反射する曲面を有するハーフミラーと、
    前記光走査部と前記ハーフミラーとの間の光軸上に位置し、かつ、前記ハーフミラーで反射された信号光が平行光となるように、前記光走査部と前記ハーフミラーとの間に位置する前記光走査部からの信号光の結像点を調整する結像点調整部とを有することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
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